RU2194254C1

RU2194254C1 - Device for receiving ultraviolet radiation

Info

Publication number: RU2194254C1
Application number: RU2001123270/28A
Authority: RU
Inventors: пунов С.И. Л; С.И. Ляпунов; Н.В. Комаров; Н.С. Кузнецов; А.Н. Мануильский; В.С. Крашенинников; М.Ф. Биденко
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Матричные технологии"
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2002-12-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device has Dewar vacuum flask fixed in rim and having external and internal inlet windows, cooled holder bearing a crystal with photosensitive elements and aperture. Holder base is connected to the rim and space surrounding the holder is filled with dried gas. New feature of the design is aperture position between the Dewar flask inlet windows, the aperture is mounted on the internal inlet window positioned in close proximity from the crystal with photosensitive elements. The space surrounding the holder is optionally filled in particular cases with heat insulation material. EFFECT: accelerated transition to required temperature mode. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения, в частности к охлаждаемым полупроводниковым приемникам инфракрасного (ИК) излучения. The invention relates to photosensitive devices designed to detect thermal radiation, in particular to cooled semiconductor infrared (IR) radiation detectors.

Известен приемник ИК-излучения, содержащий криостат, образованный внешним корпусом с входным окном и размещенным внутри него сосудом Дьюара, внутренняя оболочка которого охлаждается и соединена с внешней оболочкой упругим теплопроводом, а фоточувствительный элемент (ФЧЭ) приемника излучения установлен внутри заполненного газом корпуса на внешней оболочке сосуда Дьюара (см. а.с. 453539, МКИ 5 Н 01 L 23/24). При этом обеспечивается хорошая теплоизоляция между охлаждаемой внутренней оболочкой сосуда Дьюара и корпусом криостата за счет наличия вакуумированной полости, однако при рабочей температуре прибора ~77К из-за хорошей теплопроводности газа происходит охлаждение входного окна и конденсация на нем газа, находящегося между корпусом и внешней оболочкой сосуда Дьюара, что приводит к ухудшению характеристик и, возможно, неработоспособности приемника излучения. A known infrared radiation receiver comprising a cryostat formed by an outer casing with an inlet window and a Dewar vessel placed inside it, the inner casing of which is cooled and connected to the outer casing by an elastic heat conductor, and a photosensitive element (PSE) of the radiation receiver is installed inside the gas-filled casing on the outer shell Dewar vessel (see AS 453539, MKI 5 H 01 L 23/24). This ensures good thermal insulation between the cooled inner shell of the Dewar vessel and the cryostat body due to the presence of a vacuum cavity, however, at an operating temperature of ~ 77 K, due to the good thermal conductivity of the gas, the inlet window cools and the gas condensed on it between the body and the outer shell of the vessel Dewar, which leads to a deterioration in the characteristics and, possibly, inoperability of the radiation receiver.

Известен приемник ИК-излучения, содержащий установленный в корпусе закрепленный в оправе вакуумированный сосуд Дьюара, снабженный входными окнами, напротив которых на охлаждаемом держателе расположен кристалл с фоточувствительными элементами, и диафрагму, а герметичная полость, образованная держателем, сосудом Дьюара и оправой, заполнена осушенным газом (см. свид. на полезную модель РФ 14666, МКИ 7 G 01 J 5/02). A known infrared radiation receiver comprising an evacuated Dewar vessel mounted in a frame mounted in a frame is provided with entrance windows opposite which there is a crystal with photosensitive elements and a diaphragm on the cooled holder, and the sealed cavity formed by the holder, Dewar vessel and the frame is filled with dried gas (see certificate for utility model of RF 14666, MKI 7 G 01 J 5/02).

Такая конструкция обеспечивает высокую надежность прибора, однако имеет значительное время выхода на режим при охлаждении до рабочей температуры ~77 К, обусловленное конвективным теплопереносом внутри заполненной газом полости, за счет которого происходит непреднамеренное охлаждение внутренней стенки сосуда Дьюара, то есть фактическое увеличение охлаждаемой массы. This design ensures high reliability of the device, however, it has a significant time for reaching the mode when it is cooled to a working temperature of ~ 77 K, due to convective heat transfer inside the cavity filled with gas, due to which unintentional cooling of the inner wall of the Dewar vessel occurs, i.e., an actual increase in the mass to be cooled.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение времени выхода прибора на требуемый температурный режим. The technical result of the invention is to reduce the time the device reaches the required temperature.

Указанный технический результат достигается тем, что в приемнике ИК-излучения, содержащем закрепленный в оправе и снабженный внешним и внутренним входными окнами вакуумированный сосуд Дьюара, охлаждаемый держатель с расположенными на нем кристаллом с фоточувствительными элементами и диафрагму, причем основание держателя соединено с оправой, а полость вокруг держателя заполнена осушенным газом, диафрагма расположена между входными окнами сосуда Дьюара и установлена на внутреннем входном окне, которое размещено в непосредственной близости от кристалла с фоточувствительными элементами. В частном случае выполнения предложенной конструкции полость вокруг держателя может быть заполнена теплоизолирующим материалом. The specified technical result is achieved in that in the infrared radiation receiver, which contains a vacuum dewar fixed in the frame and provided with external and internal input windows, a cooled holder with a crystal located on it with photosensitive elements and a diaphragm, the holder base being connected to the frame and the cavity around the holder is filled with dried gas, the diaphragm is located between the inlet windows of the Dewar vessel and installed on the inner inlet window, which is located in the immediate block Soest from a crystal with photosensitive elements. In the particular case of the proposed design, the cavity around the holder can be filled with insulating material.

Расположение диафрагмы между входными окнами сосуда Дьюара в вакуумированном объеме исключает ее вклад в конвективный теплообмен, проходящий в газонаполненной области при охлаждении держателя. Одновременно с этим становится возможным размещение внутреннего входного окна в непосредственной близости от кристалла с ФЧЭ, что позволяет уменьшить газонаполненный объем и длину внутренней стенки сосуда Дьюара. При этом уменьшается охлаждаемая масса, нагрузка на охлаждающую систему и, в конечном счете, время выхода на заданный режим охлаждения. The location of the diaphragm between the entrance windows of the Dewar vessel in the evacuated volume excludes its contribution to the convective heat transfer taking place in the gas-filled region when the holder is cooled. At the same time, it becomes possible to place the inner entrance window in the immediate vicinity of the crystal with PSE, which allows to reduce the gas-filled volume and the length of the inner wall of the Dewar vessel. This reduces the cooled mass, the load on the cooling system and, ultimately, the time to reach the specified cooling mode.

Заполнение полости вокруг держателя теплоизолирующим материалом, например пористой стеклокерамикой, подавляет конвективный теплообмен, что способствует снижению теплопритока к охлаждаемым элементам конструкции и дальнейшему уменьшению времени выхода на заданный режим охлаждения. Filling the cavity around the holder with insulating material, such as porous glass ceramics, suppresses convective heat transfer, which helps to reduce heat gain to the cooled structural elements and further reduce the time it takes to reach the specified cooling mode.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема заявленного устройства. The essence of the invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of the claimed device.

Приемник ИК-излучения состоит из закрепленного в оправе 1 вакуумированного сосуда Дьюара 2, снабженного наружным и внутренним входными окнами, 3 и 4 соответственно. На охлаждаемом держателе 5, основание которого соединено с оправой 1, расположен кристалл с фоточувствительными элементами 6. Диафрагма 7 установлена на внутреннем входном окне сосуда Дьюара 4 и размещена в вакуумированном пространстве напротив внешнего входного окна 3. Полость вокруг держателя 5, образованная внутренним входным окном, внутренней стенкой сосуда Дьюара, оправой и основанием, заполнена осушенным газом. В частном случае выполнения в полости вокруг держателя может быть размещен теплоизолирующий материал 8. The infrared radiation receiver consists of a Dewar vessel 2 fixed in a frame 1 and equipped with external and internal entrance windows, 3 and 4, respectively. A crystal with photosensitive elements 6 is located on the cooled holder 5, the base of which is connected to the frame 1. The diaphragm 7 is mounted on the internal input window of the Dewar vessel 4 and is placed in a vacuum space opposite the external input window 3. The cavity around the holder 5 formed by the internal input window the inner wall of the Dewar vessel, the frame and the base, is filled with dried gas. In the particular case of execution in the cavity around the holder can be placed insulating material 8.

В процессе работы прибора происходит охлаждение до криогенных температур кристалла и закрепленной на том же держателе диафрагмы. В предложенной конструкции уменьшены газонаполненный объем, длина внутренней стенки сосуда Дьюара и соответственно охлаждаемая масса прибора. Диафрагма также не участвует в теплопереносе, что существенно уменьшает теплоприток к охлаждаемым элементам конструкции. Это позволяет снизить нагрузку на систему охлаждения и уменьшить время выхода прибора на рабочий температурный режим. During operation of the device, the crystal is cooled to cryogenic temperatures and the diaphragm is mounted on the same holder. In the proposed design, the gas-filled volume, the length of the inner wall of the Dewar vessel and, accordingly, the cooled mass of the device are reduced. The diaphragm also does not participate in heat transfer, which significantly reduces heat gain to the cooled structural elements. This allows you to reduce the load on the cooling system and reduce the time the device reaches the operating temperature mode.

При использовании в конструкции теплоизоляционного материала произойдет дополнительное снижение теплопритока к охлаждаемым элементам, так как в этом случае он будет обусловлен не конвективным теплопереносом, а теплопроводностью системы осушенный газ - теплоизоляционный материал, которая определяется в основном теплопроводностью осушенного газа. Поэтому будет получен дополнительный выигрыш во времени выхода на требуемый температурный режим. When used in the construction of a heat-insulating material, there will be an additional decrease in heat inflow to the cooled elements, since in this case it will be determined not by convective heat transfer, but by the thermal conductivity of the drained gas - heat-insulating material system, which is determined mainly by the thermal conductivity of the dried gas. Therefore, an additional gain will be obtained in the time required to reach the required temperature regime.

Предложенная конструкция разработана для приемников ИК-излучения с матрицами ФЧЭ из силицида платины. Стеклянный сосуд Дьюара с сапфировыми окнами герметично приварен к металлической оправе, которая также герметично присоединена к основанию держателя. На охлаждаемом держателе цилиндрической формы с ⌀6 мм установлен кристалл с матрицей ФЧЭ, а диафрагма припаяна к внутреннему окну сосуда Дьюара. Сосуд Дьюара вакуумирован до 10^-6 мм рт.ст., а расстояние между кристаллом и окном составляет ~1 мм, что обусловлено, в основном, технологическими возможностями. Герметичная полость вокруг держателя заполнена осушенным азотом и пористой (~95%) стеклокерамикой, например, марки ТЗМК.The proposed design was developed for infrared detectors with PSE matrices made of platinum silicide. A glass Dewar vessel with sapphire windows is hermetically welded to a metal frame, which is also hermetically attached to the base of the holder. A crystal with a PSE matrix is mounted on a cooled cylindrical holder with ⌀6 mm, and the diaphragm is soldered to the inner window of the Dewar vessel. The Dewar vessel is evacuated to 10 ^-6 mm Hg, and the distance between the crystal and the window is ~ 1 mm, which is mainly due to technological capabilities. The tight cavity around the holder is filled with dried nitrogen and porous (~ 95%) glass ceramics, for example, TZMK brand.

Разработанная конструкция позволила уменьшить длину внутренней стенки сосуда Дьюара с 93 до 70 мм, что при ее ⌀16 мм в конечном счете привело к уменьшению охлаждаемой массы, приведенной к Cu с 9,5 до 5 г, и уменьшению времени выхода на температурный режим ~77К на 1,5 мин (~40%). The developed design made it possible to reduce the length of the inner wall of the Dewar vessel from 93 to 70 mm, which at ⌀16 mm ultimately led to a decrease in the cooled mass reduced to Cu from 9.5 to 5 g and a decrease in the time of reaching the temperature regime of ~ 77K for 1.5 minutes (~ 40%).

Claims

1. An infrared radiation receiver comprising a vacuum mounted Dewar vessel mounted in a frame and provided with external and internal input windows, a cooled holder with a crystal located on it with photosensitive elements and a diaphragm, the holder base being connected to the frame and the cavity around the holder filled with dried gas, characterized in that the diaphragm is located between the input windows of the Dewar vessel and is installed on the internal input window, which is located in the immediate vicinity of the crystal with photosensitive spruce elements.

2. The infrared radiation receiver according to claim 1, characterized in that the cavity around the holder is additionally filled with insulating material.