RU1514134C - Устройство ионизационного типа для фотографической регистрации ик-излучения - Google Patents

Abstract

Устройство предназначено для регистрации низкотемпературного 70 - 400 К инфракрасного излучения. Расширение диапазона длин волн и повышение чувствительности достигается за счет того, что в устройстве имеется экранирующая камера 7, которая охлаждается жидким гелием. Кроме того жидким гелием охлаждаются фотоприемник 9 и газонаполняемая камера 6. В качестве рабочего газа используется гелий, полученный при испарении в системе охлаждения. Он поступает в камеру 6 из узла 15 напуска. Элементы конструкции размещены в вакуумированном корпусе 14. В качестве материала для фотоприемника предлагается использовать кремний, легированный галлием в концентрации 10¹⁶-5·10^-18 см^-3. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к регистрации оптической информации, в частности к преобразователям и усилителям ИК-излучения, и может быть использовано в различных областях науки и техники для визуального наблюдения и фотографической регистрации в широком спектральном диапазоне.

Целью изобретения является расширение диапазона длин волн и повышение чувствительности, необходимое для регистрации собственного излучения объектов, имеющих температуру 70-400 К.

На чертеже показано предлагаемое устройство.

Устройство содержит фотоприемник 1, газоразрядный промежуток 2, прозрачный контрэлектрод 3, токопроводящую шину 4, кассету 5, газонаполняемую камеру 6, ИК-экранирующую камеру 7, оптически соединенную с газонаполняемой камерой, участок 8 ввода жидкого гелия, теплообменник 9, приведенный в контакт с периферийной частью фотоприемника, теплообменник 10, приведенный в контакт со стенками газонаполняемой камеры, теплообменник 11, приведенный в контакт со стенками ИК-экранирующей камеры, участок 12 выхода хладагента, узел 13 стыковки участка ввода жидкого гелия с теплообменником, приведенным в контакт с периферийной частью фотоприемника, вакуумированный корпус 14, узел 15 напуска гелия в газонаполняемую камеру, узел 16 откачки и напуска газа, регистрирующий узел 17. На чертеже также показаны наблюдаемый объект 18 и система фокусировки 19 в виде ИК-линзы.

Основное назначение элементов устройства следующее.

Фотоприемник 1 предназначен для преобразования оптического изображения в распределение фотопроводимости. Газоразрядный промежуток 2 предназначен для формирования газового разряда. Прозрачный контрэлектрод 3 предназначен для подачи напряжения пробоя на газоразрядную ячейку и формирования визуализированного изображения, токопроводящая шина 4 необходима для обеспечения передачи напряжения от источника питания на прозрачный электрод. Кассета 5 предназначена для сборки и крепления в ней элементов газоразрядной ячейки. Газонаполняемая камера 6 предназначена для размещения газоразрядной ячейки. ИК-экранирующая камера 7 служит для размещения наблюдаемого объекта и системы фокусировки. Участок 8 ввода жидкого гелия предназначен для ввода хладагента в теплообменник 9, приведенный в контакт с периферийной частью фотоприемника 9 и предназначенный для его охлаждения до температуры Т ≈ 20 К. Теплообменник 10, приведенный в контакт со стенками газонаполняемой камеры 10, служит для их охлаждения до температуры Т ≈ 55 К. Теплообменник 11, приведенный в контакт со стенками ИК-экранирующей камеры охлаждает их до Т≈ 55 К. Участок 12 вывода хладагента предназначен для вывода отработавшего в качестве хладагента гелия из системы охлаждения. Узел 13 служит для обеспечения ввода жидкого гелия в теплообменник 3. Вакуумированный корпус 14 обеспечивает термоизоляцию охлаждаемых элементов устройства. Узел 15 напуска гелия в газонаполняемую камеру 15 служит для создания рабочего давления гелия 0,01-0,02 атм внутри газонаполняемой камеры. Узел 16 откачки и напуска газа обеспечивает предварительную откачку вакуумированного корпуса и газонаполняемой камеры до 5˙10^-3 атм и напуск в них воздуха после окончания работы. Регистрирующий узел 17 предназначен для усиления и фотографической регистрации визуализированного изображения.

Устройство ионизационного типа для фотографической регистрации ИК-излучения работает следующим образом.

Производится предварительная откачка вакуумированного корпуса 14 и газонаполняемой камеры 6 до давления Р = 5˙10^-3 атм с использованием узла 16 откачки и напуска газа. Затем производится прокачка жидкого гелия через участок 8 ввода, теплообменники 9, 10, 11 при помощи насоса, подключенного к участку 12 вывода хладагента. При этом температура фотоприемника 1 доводится до 20 К, температура стенок оптически сообщающихся газонаполняемой 6 и ИК-экранирующей 7 камер доводится до 55 К. В газонаполняемой камере 6 с помощью узла 15 напуска гелия создается рабочее давление гелия 0,01-0,02 атм.

При проектировании с помощью системы фокусировки 19 ИК-изображения, создаваемого собственным излучением наблюдаемого объекта 18, помещенного в ИК-экранирующую камеру 7, на поверхность фотоприемника 1, в фотоприемнике возникает распределение фотопроводимости, повторяющее распределение интенсивности света. Если между фотоприемником 1 и прозрачным контрэлектродом 3 приложить напряжение U ≈ 300 В, обеспечивающее пробой газоразрядного промежутка 2, то распределение плотности тока пробоя и распределение яркости свечения плазмы будет определяться распределением фотопроводимости фотоприемника, формируя изображение на прозрачном контрэлектроде 3. Это изображение передается на вход регистрирующего узла 17. Изображение наблюдается с экрана регистрирующего узла визуально или фотографируется.

Пример конкретной реализации.

Фотоприемник устройства ионизационного типа для фотографической регистрации ИК-излучения был изготовлен из кремния, легированного галлием с концентрацией 2,5 ˙ 10¹⁶ см^-3. Фотоприемник выполнен в виде пластины диаметром 22 мм, толщиной 1,5 мм, оптически полированной с двух сторон. С одной стороны пластины сделан омический контакт путем напыления слоя Ni толщиной 0,03 мкм. Величина газоразрядного промежутка задавалась слюдяной прокладкой толщиной 50 мкм, диаметром 26 мм, в центре которой сделан вырез диаметром 20 мм. Прозрачный контрэлектрод представляет собой стеклянную пластинку диаметром 26 мм, толщиной 1 мм, на поверхность которой нанесен слой SnO₂ толщиной 0,5 мкм. Кроме того, сделана токопроводящая шина из фольгированного гетинакса диаметром 26 мм с круговым вырезом диаметром 22 мм, толщиной 2 мм.

Система охлаждения выполнена в виде магистрали для прокачки жидкого гелия и состояла из участка ввода жидкого гелия, узла стыковки, трех теплообменников и участка вывода отработавшего хладагента.

Участок ввода жидкого гелия изготовлен в виде патрубка из нержавеющей стали диаметром 1 х 0,2 мм, длиной 3 м. Этот патрубок заключен в вакуумный термоизолирующий кожух, который состоит из соединенных последовательно сваркой патрубка из нержавеющей стали диаметром 13 х 1 мм, длиной 1 м, гибкого сильфонного шланга. Патрубок диаметром 1 мм выступает с обеих сторон из кожуха на 2 мм. Кожух снабжен вакуумным клапаном для откачки. Первый теплообменник магистрали изготовлен в виде плоской спирали из медной отожженной трубки диаметром 3 х 0,5 мм, припаянной головки к медной шайбе диаметром 40 мм, толщиной 3 мм, центральное отверстие которой имеет диаметр 16 мм и по периметру центрального отверстия сделан выступ 2 х 2 мм для обеспечения теплового контакта с периферийной частью фотоприемника. На шайбе сделаны четыре отверстия и паз, в который индием было запрессовано термосопротивление для измерения температуры теплообменника. Второй и третий теплообменники выполнены в виде спиралей из отожженной медной трубки диаметром 3 х 0,5 мм, навитых и припаянных оловом к стенкам газонаполняемой и ИК-экранирующей камер. Узел стыковки участка ввода жидкого гелия и первого теплообменника выполнен в виде стакана из нержавеющей стали диаметром 15 х 1,15 мм, длиной 30 см, причем в центре стакана сделан патрубок диаметром 5,1 мм, длиной 10 мм, а с другой стороны - вильсоновское вакуумное уплотнение под трубу диаметром 12,6 мм.

Участок вывода хладагента выполнен в виде патрубка из нержавеющей стали диаметром 5 х 1 мм, длиной 70 мм. К одному концу патрубка припаяна оливка, предназначенная для подключения через резиновый шланг насоса, обеспечивающего прокачку гелия, и приварен боковой отвод в виде патрубка из нержавеющей стали диаметром 5 х 1 мм, длиной 10 мм для соединения с узлом напуска гелия в газонаполняемую камеру.

Газонаполняемая камера состоит из несущего фланца и съемного кожуха. Несущий фланец изготовлен в виде диска из нержавеющей стали диаметром 100 мм, толщиной 2 мм с круговым зубцом для раздавливания индиевой вакуумной прокладки. В центре фланца сделано отверстие диаметром 20 мм и с внешней стороны фланца напротив этого отверстия приварен патрубок из нержавеющей стали диаметром 34 х 1 мм, длиной 15 мм для стыковки с ИК-экранирующей камерой. С внутренней стороны фланца по периметру отверстия приклеено пастой СБ-1 входное окно газонаполняемой камеры, изготовленное из оптически полированного кремния толщиной 1,5 мм, диаметром 24 мм. Вокруг входного окна расположены вакуумные электроизоляторы для вывода проводов и термоизолирующие стаканы для ввода патрубков магистрали прокачки жидкого гелия и патрубков откачки и напуска газа в газонаполняемую камеру. По периметру фланца сделаны шесть отверстий под винты. Кожух газонаполняемой камеры выполнен в виде стакана, выдавленного из меди, диаметром 100 х 0,3 мм, длиной 60 мм. В днище стакана сделано отверстие диаметром 30 мм, по периметру которого с внутренней стороны приклеено пастой СБ-1 выходное окно газонаполняемой камеры, выполненное из оптического стекла диаметром 33 мм, толщиной 2 мм. По периметру среза кожуха прикреплен роликовой сваркой кольцевой фланец, с внешней стороны которого сделана кольцевая канавка шириной 1,5 мм, глубиной 1 мм для размещения индиевой прокладки и приварены шесть резьбовых шпилек под гайку М5 для стыковки кожуха с несущим фланцем.

ИК-экранирующая камера изготовлена в виде медного патрубка диаметром 32 х 0,5 мм, длиной 120 мм и имеет объемную крышку в виде стакана диаметром 34 х 1 мм, длиной 30 мм. В крышке сделана щель 1 х 10 мм для вывода электрических приводов.

Узел напуска гелия в газонаполняемую камеру выполнен в виде имеющего регулятор расхода ответвления от выводящего участка для прокачки гелия и состоит из вакуумного вентиля, имевшего входной и два сообщающихся выходных патрубка, причем входной патрубок выполнен из отожженной меди диаметром 3 х 0,5 мм и предназначен для отвода части гелия из выводящего участка гелиевой магистрали, один из выходных патрубков - также из меди диаметром 3 х 0,5 мм и предназначен для ввода гелия в газонаполняемую камеру, а другой выходной патрубок - в виде отливки для соединения через резиновый шланг с прибором для измерения давления в газонаполняемой камере.

Вакуумированный корпус устройства выполнен в виде круглой коробочки из нержавеющей стали диаметром 250 х 24 мм, шириной 140 мм, снабженной двумя боковыми крышками диаметром 250 мм, толщиной 7 мм. Коробка прикреплена винтами к рельсу шириной 140 мм. В корпусе сделаны отверстия и приварены фланцы для вакуумного плотного контакта выходного окна устройства, регистрирующего узла, вентилей узла откачки и напуска газа, узла напуска гелия в газонаполняемую камеру, узла стыковки участка ввода жидкого гелия с первым теплообменником системы охлаждения, патрубка участка вывода хладагента, вакуумного многоштырькового разъема, электроизоляторов для вывода термопар и вакуумной лампы ПМТ-4М.

Выходное окно устройства выполнено из оптического стекла диаметром 40 мм, толщиной 2 мм.

Регистрирующий узел выполнен в виде электронно-оптического преобразователя блока ПМУ-2.

Затем была собрана газоразрядная ячейка устройства. Фотоприемник, слюдяная прокладка, прозрачный контрэлектрод и токопроводящая шины вложены в указанной последовательности в кассету 5 из органического стекла и зажаты в ней органической стеклянной резьбовой втулкой. Кассета прикреплена винтами из органического стекла к медной шайбе теплообменника 9 так, что фотоприемник 1 периферийной частью поверхности с напыленным слоем никеля приведен в контакт с выступом медной шайбы этого теплообменника.

К токоведущей шине газоразрядной ячейки присоединен электрический провод для подачи на ячейку напряжения питания и вакуумно выведен через один из электроизоляторов несущего фланца. Аналогично из газонаполняемой камеры выведены остальные электрические провода.

Затем кожух газонаполняемой камеры с припаянной к нему спиралью теплообменника 10 через индиевые уплотнения был соединен с несущим фланцем, и свободные патрубки теплообменника 10 соединены пайкой через муфты из нержавеющей стали диаметром 4 х 0,5 мм, длиной 8 мм с выходным патрубком теплообменника 9 и входным патрубком теплообменника 11. Таким образом, три теплообменника оказываются последовательно включены в магистраль для прокачки гелия. После этого теплообменник 9 был через узел 13 стыковки соединен с участком 8 ввода жидкого гелия. Для этого патрубок кожуха участка ввода жидкого гелия, имеющий диаметр 12,6 мм, был вставлен в узел стыковки так, что выступающий из него на 2 мм патрубок диаметром 1 х 0,2 мм вошел во впаянный с другой стороны входной патрубок теплообменника 9 и зафиксирован в таком положении зажимом гайки вильсоновского уплотнения, сделанным на узле стыковки под диаметр 12,6 мм.

Фотографическая регистрация собственного ИК-излучения объектов с температурой 70-400 К осуществлялась следующим образом.

В качестве наблюдаемого объекта использовалось устройство с электроподогревом, в котором излучателем служила торцовая поверхность медного цилиндра диаметром 6 мм, длиной 10 мм. Излучающая поверхность специально не чернилась и имела коэффициент излучения 0,2-0,25. Фотографическая регистрация собственного излучения объектов с коэффициентом излучения ниже 0,2 возможна лишь в том случае, если температура этих объектов превышает 70 К. Электронагреватель выполнен из нихромовой проволоки диаметром 0,3 мм с сопротивлением 3 Ом. В специальный паз, сделанный на излучающей поверхности, вставлен и запрессован индием спай медно-константановой термопары для измерения температуры излучающей поверхности. Наблюдаемый объект укреплялся на теплоизолирующих растяжках из нержавеющей стали диаметром 0,4 мм в центре держателя, который выполнен в виде медного патрубка диаметром 31 х 0,5 мм. Для фокусировки собственного излучения наблюдаемого объекта на поверхность фотоприемника применялась ZnS линза диаметром 30 мм с фокусным расстоянием 3,6 мм. Линза вставлена в ИК-экранирующую камеру и зафиксирована двумя медными кольцами диаметром 31 мм, обеспечивающими также охлаждение линзы до температуры стенок ИК-экранирующей камеры. В ИК-экранирующую камеру вставлялся держатель с закрепленным на нем наблюдаемым объектом. Затем ИК-экранирующую камеру закрывали крышкой, через прорезь которой были выведены электрические провода питания нагревателя и термопара. После этого вакуумно плотно закрывали боковые крышки вакуумированного корпуса и производили предварительную откачку вакуумированного корпуса и газонаполняемой камеры до давления Р = 5˙10^-3 атм. Затем прокачивали жидкий гелий из транспортного сосуда Дьюара через гелиевую магистраль системы охлаждения. После охлаждения фотоприемника до 20-25 К и стенок экранирующей и газонаполняемой камер до 55 К производили напуск гелия в газонаполняемую камеру, где с использованием узла напуска обеспечивалось давление 0,02-0,03 атм при Т = 20-25 К.

На фотоприемник проектировалось ИК-изображение наблюдаемого объекта, температура которого изменялась в пределах 70-400 К. При включении напряжения питания происходил пробой газоразрядного промежутка, плотность тока в нем определялась освещенностью фотоприемника, в результате чего в газоразрядном промежутке возникало видимое изображение объекта. Это изображение усиливалось ЭОП-блоком и на его выходе визуально наблюдали и фотографировали изображение объекта, имеющего температуру в интервале 70-400 К.

Таким образом, предлагаемое устройство ионизационного типа для фотографической регистрации ИК-излучения по сравнению с прототипом обеспечивает фотографическую регистрацию собственного излучения объектов, имеющих значительно более низкую температуру а именно от 400 до 70 К в то время, как прототип обеспечивал фотографическую регистрацию собственного излучения объектов с температурой не ниже 400 К.

Это стало возможно благодаря тому, что в предложенной конструкции одновременно расширяется спектральный диапазон чувствительности фотоприемника и устраняется фон. Проведенные испытания показали надежность работы устройства и возможность его использования для фотографической регистрации собственного излучения объектов, охлажденных до температур, близких к температуре жидкого азота (77 К), например для фотографической регистрации температурных неоднородностей в охлажденных объектах. Кроме того, выявлены широкие возможности данного устройства для исследования полупроводниковых процессов, в частности для фотографической регистрации неоднородности легирования полупроводника. (56) Авторское свидетельство СССР N 610053, кл. G 03 G 15/00, 1976.

Claims (2)

1. УСТРОЙСТВО ИОНИЗАЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ ФОТОГРАФИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ , содеpжащее pасположенные по ходу излучения систему фокусиpовки, газоpазpядную ячейку, состоящую из фотопpиемника и пpозpачного контpэлектpода с газоpазpядным пpомежутком между ними, pасположенных в газонаполняемой камеpе, систему охлаждения фотопpиемника, узел откачки и нагнетания газа и pегистpиpующее устpойство, отличающееся тем, что, с целью pасшиpения диапазона pегистpиpуемых длин волн и повышения чувствительности, устpойство снабжено экpаниpующей камеpой с фокусиpующим элементом, pасположенной совместно с газонаполненной камеpой в вакуумиpованном коpпусе, пpи этом система охлаждения выполнена в виде магистpали пpокачки жидкого гелия, содеpжащей тpи теплообменника, установленных с возможностью теплового контакта соответственно с фотопpиемником и стенками газонаполненной и экpаниpующей камеp, а узел откачки газа снабжен pегулятоpом pасхода и выполнен в виде pукава магистpали пpокачки жидкого гелия.

2. Устpойство по п. 1, отличающееся тем, что фотопpиемник выполнен из кpемния, легиpованного галлием с концентpацией не более 10¹⁸ см^-3.