Приемник инфракрасного излучения

 

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения. Приемник содержит закрепленный в оправе вакуумированный сосуд Дьюара с внешним и внутренним входными окнами, напротив которых на охлаждаемом держателе расположен установленный на подложке кристалл с фоточувствительными элементами, причем основание держателя соединено с оправой, торец держателя снабжен радиатором, выполненным из материала, теплопроводность которого больше, чем теплопроводность подложки, а полость вокруг держателя заполнена осушенным газом, температура кристаллизации которого выше рабочей температуры приемника, при которой давление насыщенных паров газа над его твердой фазой не превышает 10-4 мм рт.ст. При рабочей температуре полость вакуумируется до 10-4 мм рт.ст., что способствует снижению теплопритока к элементам конструкции, так как именно при таком вакууме происходит качественный переход от конвективного теплообмена к излучательному. Техническим результатом изобретения является улучшение теплофизических характеристик прибора: снижение охлаждаемой массы, уменьшение времени выхода на рабочий режим. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения, в частности, к охлаждаемым полупроводниковым приемникам инфракрасного (ИК) излучения.

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. авт. св. 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 ~ 77 К 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.

Известен приемник ИК излучения, содержащий вакуумированный криостат (сосуд Дьюара), в котором внутренний цилиндр криостата используется как держатель кристаллла с ФЧЭ (см. заявку ЕР 0339836 А2, МПК 4 F 25 В 9/00, 1989 г. ). При этом обеспечивается хорошая теплоизоляция между охлаждаемым внутренним цилиндром и внешней стенкой криостата за счет наличия между ними вакуумированной полости, однако, поскольку криостат выполняется металлическим, со временем из-за дегазации и натекания, вакуум ухудшается, что приводит к выходу из строя всего прибора.

Известен выбранный за прототип приемник ИК излучения, содержащий установленный в корпусе, закрепленный в оправе вакуумированный сосуд Дьюара, снабженный входными окнами, напротив которых на охлаждаемом держателе расположен кристаллл 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). 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.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение теплофизических характеристик прибора: снижение охлаждаемой массы, уменьшение времени выхода на рабочий режим и др.

Указанный технический результат достигается тем, что в приемнике ИК излучения, содержащем закрепленный в оправе вакуумированный сосуд Дьюара с внешним и внутренним входными окнами, напротив которых на охлаждаемом держателе расположен установленный на подложке кристалл с фоточувствительными элементами, причем основание держателя соединено с оправой, торец держателя снабжен радиатором, выполненным из материала, теплопроводность которого больше, чем теплопроводность подложки, а полость вокруг держателя заполнена осушенным газом, температура кристаллизации которого выше рабочей температуры приемника, при которой давление насыщенных паров газа над его твердой фазой не превышает 10-4 мм рт. ст. В частном случае радиатор может быть выполнен в виде пластины.

Заполнение полости вокруг держателя газом, температура кристаллизации которого выше рабочей температуры приемника, при которой давление насыщенных паров газа над его твердой фазой не превышает 10-4 мм рт. ст., исключает конвективный теплообмен, так как при рабочей температуре происходит кристаллизация газа на радиаторе. При этом в полости образуется разреженная атмосфера, то есть фактически при рабочей температуре полость вакуумируется до 10-4 мм рт. ст., что способствует снижению теплопритока к элементам конструкции.

Выбор газа, при котором давление насыщенных паров над твердой фазой газа при рабочей температуре приемника не превышает 10-4 мм рт. ст., обусловлен тем, что при таком вакууме полностью прекращается конвективный теплообмен и теплопроводность по газовой среде и происходит переход к теплообмену излучательному.

Предложенная конструкция также обеспечивает длительный срок хранения и увеличивает срок службы и надежность работы приемника, так как в нерабочем состоянии газ в полости находится при атмосферном давлении, что практически исключает возможность натекания, десорбции газов со стенок и другие нежелательные явления, существующие при длительной эксплуатации и хранении вакуумированных конструкций криостата.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема заявленного устройства.

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 установленный на подложку 6 кристалл 7 с фоточувствительными элементами. Торец держателя 5 снабжен радиатором 8, а полость вокруг него, образованная внутренним входным окном, стенкой сосуда Дьюара, оправой и основанием, заполнена осушенным газом, температура кристаллизации которого выше рабочей температуры приемника, при которой давление насыщенных паров газа над его твердой фазой не превышает 10-4 мм рт. ст. Подложка 6 может быть выполнена как в виде пластины, так и виде элемента крепления более сложной формы в зависимости от типа ФЧЭ или других особенностей, например, П-образной формы или скоб.

В процессе работы прибора происходит охлаждение кристалла до криогенных температур, причем самая холодная зона находится в торце держателя, на котором закреплен радиатор. Поскольку температура кристаллизации газа выше рабочей температуры прибора, происходит кристаллизация находящегося в полости газа на радиаторе, охлаждающемся в первую очередь, так как теплопроводность материала, из которого он сделан, выше теплопроводности подложки, на которой установлен кристалл. При этом в полости образуется вакуум, прекращается конвективный теплообмен между охлаждаемым держателем и внутренней стенкой сосуда Дьюара, что позволяет снизить нагрузку на систему охлаждения и уменьшить время выхода прибора на рабочий температурный режим.

Предложенная конструкция разработана для приемников ИК излучения с матрицами ФЧЭ из силицида платины, рабочая температура которого ~80 К. Стеклянный сосуд Дьюара с сапфировыми окнами герметично приварен к металлической оправе, которая также герметично присоединена к основанию держателя. В торце охлаждаемого держателя цилиндрической формы с 6 мм установлены радиатор, выполненный в виде пластины из алюмооксидной керамики, например, ВК94-1, и кристалл Si с матрицей ФЧЭ, установленный на подложку П-образной формы из сплава "ковар", при рабочей температуре теплопроводности алюмооксидной керамики и ковара равны 8-10 и 1300-1500 Вт/мК соответственно. Герметичная полость вокруг держателя заполнена осушенным углекислым газом, температура кристаллизации которого при атмосферном давлении равна 195 К, а давление его насыщенных паров над твердой фазой при рабочей температуре - 510-5 мм рт. ст.

Таким образом, предложенная конструкция совмещает в себе преимущества вакуумных криостатов: низкие теплопритоки, небольшое время выхода на рабочий режим; и газонаполненных криостатов: надежность, длительные сроки службы и хранения приборов.

Формула изобретения

1. Приемник инфракрасного излучения, содержащий закрепленный в оправе вакуумированный сосуд Дьюара с внешним и внутренним входными окнами, напротив которых на охлаждаемом держателе расположен установленный на подложке кристалл с фоточувствительными элементами, причем основание держателя соединено с оправой, торец держателя снабжен радиатором, выполненным из материала, теплопроводность которого при рабочей температуре больше, чем теплопроводность материала подложки, а полость вокруг держателя заполнена осушенным газом, температура кристаллизации которого выше рабочей температуры приемника, при которой давление насыщенных паров газа над его твердой фазой не превышает 10-4 мм рт.ст.

2. Приемник инфракрасного излучения по п.1, в котором радиатор выполнен в виде пластины.

РИСУНКИ

Рисунок 1



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения, в частности к охлаждаемым полупроводниковым приемникам инфракрасного (ИК) излучения

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения, в частности, к охлаждаемым полупроводниковым приемникам инфракрасного (ИК) излучения

Изобретение относится к теплофизике

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения, в частности к охлаждаемым полупроводниковым приемникам ИК излучения

Изобретение относится к калибровке оптического прибора

Изобретение относится к устройствам для измерения и автоматического контроля температуры

Изобретение относится к приборостроению, в частности к приборам определения солнечной радиации

Изобретение относится к аналитической технике, а именно к устройствам для визуализации инфракрасного излучения, преимущественно в дальней области

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения электромагнитного излучения, в частности к охлаждаемым полупроводниковым приемникам инфракрасного излучения

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к оптическим устройствам и приборам теплового контроля, используемым в металлургии

Изобретение относится к способу измерения параметра ванны расплава с помощью оптического волокна, окруженного покрытием

Изобретение относится к способу и устройству для точного бесконтактного определения температуры Т металлического расплава (2) в печи (1), которая содержит по меньшей мере один блок (3) горелки-копья, который направляется над металлическим расплавом (2) через стенку (1b) печи в печное пространство (1а). Измерение температуры осуществляется с помощью расположенного после блока (3) горелки-копья блока (10) измерения температуры. Способ измерения температуры включает: направление газового потока в виде кислорода или содержащего кислород газа в печное пространство (1а) со сверхзвуковой скоростью; сдувание с помощью газового потока с поверхности металлического расплава (2) шлака (2а); переключение с первого газа на второй газ; выполнение непрерывного измерения температуры, при этом измеренная температура определяется в качестве температуры Т металлического расплава (2) лишь тогда, когда газовый поток находится в ламинарном состоянии, и после того, как в течение промежутка времени, равного по меньшей мере 2 секундам, колебания измеренной температуры не превышают 1%. Технический результат заключается в увеличении точности и упрощении измерения температуры металлического расплава. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области оптоэлектроники, к конструкциям тепловых многоэлементных приемников, предназначенных для регистрации пространственно-энергетических характеристик импульсного и непрерывного лазерного излучения. Тепловой приемник содержит герметичный корпус с входным окном, прозрачным для регистрируемого излучения, перед которым установлена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительным слоем, из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, например пленки из диоксида ванадия, в виде термочувствительных элементов, расположенных по концентрическим окружностям с радиусами, увеличивающимися с каждой последующей окружностью от центра круга и образующими круговую приемную площадку. Вне приемной площадки расположен компенсационный термочувствительный элемент. Каждый термочувствительный элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками, расположенными по периметру подложки. Круговая приемная площадка разделена двумя перпендикулярными зазорами, проходящими через ее центр, на четыре одинаковых квадранта. Термочувствительные элементы имеют форму секторов колец подобной геометрической формы, разделенных круговыми зазорами. Общие электроды расположены по одному радиусу каждого квадранта и соединены между собой, а сигнальные электроды расположены по другому радиусу каждого квадранта на боковых отрезках каждого сектора кольца термочувствительного элемента и сквозными выводами соединены с контактными площадками на обратной стороне подложки. Технический результат заключается в повышении точности измерения плотности энергии мощности лазерного излучения и повышении точности анализа гауссова распределения плотности энергии мощности лазерного излучения по сечению луча. 8 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры в расплавах, в особенности в расплавах металла или криолита с точкой плавления выше 600оС с температурным сенсором. Предложено сенсорное устройство для измерения температуры в расплавах с резервуаром, который на своей верхней стороне имеет отверстие и в котором размещен температурный сенсор. Температурный сенсор имеет трубку, выступающую в резервуар, в которой размещен волоконный световод, который при необходимости дополнительно на своей боковой поверхности содержит прилегающую трубчатую оболочку. Трубка или трубчатая оболочка на своем размещенном в резервуаре конце замкнута. Также предложен способ измерения температуры расплава с использованием заявленного сенсорного устройства. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области оптико-электронных приборов и касается пироэлектрического преобразователя электромагнитных волн. Пироэлектрический преобразователь включает в себя теплоизолированную пластину пиродиэлектрика с проводящими тонкопленочными обкладками на противоположных поверхностях пластины, подключенными к измерителю электрического сигнала. При этом одна обкладка является последовательно включенным участком электрической цепи высокочастотного тока антенны приема электромагнитных волн. Технический результат заключается в обеспечении возможности приема сигналов в терагерцевом диапазоне спектра. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области создания детекторов излучения и касается фотоприемника ик-излучения с диафрагмой. Фотоприемник содержит держатель, фоточувствительный элемент, приклеенный на растре, и диафрагму. Диафрагма состоит из средней конусной детали, крышки, дискового основания и экрана, выполняющего функцию защиты от паразитного излучения. Детали диафрагмы соединены сваркой и криостойким клеем. Диафрагма присоединена к растру криостойким клеем. Детали диафрагмы получают выдавливанием на пресс-форме. Внешние поверхности деталей зеркально полируют, проводят матирование и утоньшение внутренних стенок. Внутренние поверхности деталей подвергают электрохимическому чернению. Среднюю конусную деталь и крышку сваривают между собой, а экран приклеивают к боковой поверхности конусной детали. Технический результат заключается в уменьшении влияния паразитного излучения, уменьшении тепловой массы и увеличении скорости охлаждения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.
Наверх