Brevet FR2119035A1 — publié le 19720804

i 2119035 L'invention concerne les détecteurs à infrarouges, et plus particulièrement, les détecteurs à infrarouges refroidis de façon passive, et comportant des traces de molécules d'eau résiduelle ou d'autres produits de contamination volatils dans l'atmosphère ambiante. 5 Les détecteurs à infrarouges sont utilisés de façon croissante dans diverses applications, sous la forme de détecteurs d'horizon dans les satellites, dans les satellites météorologiques, pour la reconnaissance militaire, le cadrage pour les installations industrielles, et les spectromètres. Quelques détecteurs à infrarouges doivent fonctionner à des températures très faibles, 10 pour obtenir un fonctionnement optimal. Pour un tel environnement, des dispositifs de commande de la température spéciaux sont nécessaires pour obtenir des températures aussi fables que 70-80°K. Le problème de la cristallisation ou de la condensation des vapeurs à ces températures sur les surfaces des composants dans le trajet de transmission 15 du signal du détecteur à infrarouges est suffisamment important pour rendre ce détecteur inactif. Cette condensation se produit lorsque la pression de la vapeur du produit de condensation est inférieure à la pression ambiante. Les molécules d'eau se condensent sous la forme de glace sur les surfaces à des températures inférieures à 200°K, pour des pressions ambiantes de 10 microns, car la pression de -12 20 la vapeur de glace est de l'ordre de 10 mmHg, ce qui est inférieur à la pression ambiante habituelle de 10 mmHg, aux altitudes orbitales des satellites. Les molécules d'eau ne gèlent pas cependant à ces pressions ambiantes, à des températures de 200°K et davantage, car la pression de la vapeur de glace est de l'ordre de 10 ^ mmHg. 25 Divers systèmes connus constituent des conditions d'environnement de fonctionnement des détecteurs à infrarouges convenables, tels que les refroi-disseurs radiants. Les systèmes de refroidissement actifs utilisent l'hélium liquide et des produits de refroidissement similaires. A des températures aussi basses, pour réduire la condensation sur les surfaces des composants du détecteur, 30 le long du trajet du faisceau d'infrarouges, il est essentiel que les vapeurs condensables telles que la vapeur d'eau ne puissent pas pénétrer dans le milieu ambiant de ces composants. Les dispositifs existant actuellement ne peuvent pas empêcher cette condition de condensation. Les techniques actuelles de dévaporisation et de 35 déshumidification telles que l'utilisation de chambres d'isolement ne peuvent pas empêcher la présence de vapeur d'eau ou de vapeur d'autres produits de contamination tels que l'huile, les polymères, l'alcool, dans ou sur les 71 46310 2 2119035 composants du détecteur. Quelque soit les précautions prises, une certaine quantité de ces produits de contamination, et plus particulièrement de molécules d'eau restent. Aux basses pressions de l'ordrè de 10 microns au moins, l'humidité qui peut subsister sur ou au-dessous de la surface des composants du système 5 est libérée pour se diriger vers le milieu ambiant.Aux faibles températures de 4 à 200°K, pour lesquelles le détecteur est refroidi, cette vapeur et ces molécules d'eauqui peuvent se rassembler sur le détecteur ou sur les fenêtres de filtrage dans le trajet du faisceau d'infrarouges gèlent, ce qui, au moins, affecte le fonctionnement du détecteur, et peut même le rendre inutilisable. 10 Comme décrit ici, l'invention propose un détecteur à infrarouges comportant un écran cylindrique extérieur et une partie cylindrique intérieure coaxiale servant de collecteur de vapeur condensée telle que l'humidité d'eau. Chaque partie est télescopée coaxialement, de manière qu'un espace radial s'établisse entre ces deux parties. Une extrémité de l'écran extérieur comporte 15 une fenêtre ou filtre pour l'entrée de l'énergie à infrarouges, et une extrémité de l'écran intérieur comporte un dispositif convenable pour supporter le détecteur à infrarouges, en relation de fonctionnement avec l'assemblage, et pour recevoir l'énergie à infrarouges pénétrant par le filtre ou fenêtre. L'espace n'est pas critique, car les dimensions de l'ensemble sont en tout inférieures au libre 20 parcours moyen des vapeurs. Néanmoins, l'espace doit être inférieur au trajet moyen de libération de la vapeur. Pour les molécules d'eau à la température et à la pression de l'atmosphère ambiante, par exemple pour tftie température de 77°K et une pression de 10 microns, cet espace doit être inférieur à 1 mètre. Dans la pratique, l'espace est de l'ordre de 1 mm 1/2. Par conséquent, l'espace 25 n'est pas critique car il est très inférieur à la dimension critique de 1 mètre. La vapeur d'eau qui peut être présente et qui peut pénétrer dans la chambre définie par l'écran et par les parties collectrices est rassemblée dans les parties intérieures annulaires ouvertes entre les deux cylindres sous la forme de glace obtenue en gêlant les molécules d'eau lorsqu'elles entrent en contact 30 avec la surface extérieure refroidie de la partie d'écran intérieur. L'écran intérieur est maintenu relativement plus froid que l'écran extérieur de manière que la vapeur se condense uniquement sur l'écran intérieur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, 35 en référence au dessin annexé dans lequel : 71 46310 3 21190 35 - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale du détecteur à infrarouges conforme à un mode de réalisation de l'invention et, - la figure 2 est un schéma d'un appareil d'essai expérimental simulant les conditions de fonctionnement du détecteur. 5 La figure 1 représente un détecteur 10 en coupe longitudinale comportant un écran cylindrique extérieur 12 et une partie cylindrique intérieure coaxiale 14 servant de collecteur de vapeur d'eau. L'énergie à infrarouge ClR) est reçue le long du trajet 16 passant par l'orifice 18. Un filtre à infrarouges 20 est placé à l'intérieur de l'orifice 18 défini par le rebord 10 annulaire 17 faisant saillie de l'écran extérieur 12, ce filtre étant fixé par un anneau 17a. La fenêtre 20 est constituée de germanium revêtu de façon convenable de l'un des matériaux connus pour être opaque à certaines parties sélectionnées non souhaitables du spectre visible, permettant ainsi la transmission de certaines autres parties sélectionnées du spectre à infrarouges d'entrée. 15 Le détecteur à infrarouges 22 est placé à l'intérieur du boîtier 23 formant partie intégrante avec le collecteur 14 pour recevoir l'énergie à infrarouges. Le détecteur 22 est un semi-conducteur photo-conducteur à alliage de mercure, de cadmium et de télure. Ces détecteurs sont bien connus pour avoir un fonctionnement optimal à 75-80°K. D'autres détecteurs connus peuvent être 20 utilisés pour d'autres conditions de fonctionnement, comme il apparaîtra aux spécialistes. Une fenêtre 26 formée également de germanium avec un revêtement constituant un filtre est montée dans le trajet du faisceau d'infrarouges et constitue un joint hermétique pour le détecteur 22 dans la cavité, comme représenté. L'écran extérieur 12 et le collecteur intérieur 14 sont télesco-25 piques et coaxiaux et définissent un espace annulaire 24 longitudinal par rapport aux cylindres, et comportant des ouvertures 13 et 15 entre les extrémités ouvertes des deux cylindres. Les positions relatives des deux écrans 12 et 14 peuvent être avantageusement réglables pour mettre au point le détecteur, et pour l'adapter à des conditions variables. L'écartemerit, c'est-à-dire la 30 dimension radiale r^,est inférieur au libre parcours moyen des molécules d'eau à la pression et à la température ambiante. Ici, cet écartement ne permet pas le passage d'une portée optique entre l'ouverture extérieure 15 et l'ouverture intérieure 13. La pression de fonctionnement du milieu ambiant est généralement de l'ordre de 10 microns au moins pour les conditions de haute altitude des 35 satellites. Pour des pressions de fonctionnement supérieuresCaltitude inférieure) le libre parcours moyen des molécules d'eau est inférieur, car le libre parcours moyen des molécules est inversement proportionnel à la pression ambiante. 71 4631U 4 2119035 L'ensemble constitué des écrans 14 et 12 est réalisé en alliage d'aluminium (par exemple du type 1100). Les écrans ont de préférence une longueur d'environ 50 mm, un diamètre d'environ 13 mm, et une épaisseur de paroi d'environ 0,8 mm. 5 Le chevauchement des deux écrans, c'est-à-dire la longueur de l'écartement 24 est d'environ 25,4 mm. Les écrans peuvent avoir des dimensions adaptées à tout l'ensemble et aux caractéristiques du satellite. Lorsque le détecteur 10 est fabriqué au sol, les composants sont séchés de tous les produits de contamination qui peuvent se transformer 10 en vapeur, et particulièrement de l'eau. Pendant la période de lancement d'un satellite comportant ce détecteur, la pression ambiante est rapidement réduite _2 à 10 mm de mercure ou moins. A ces faibles pressions, les matériaux pouvant se transformer en vapeur et restant encore au-dessous ou au-dessus de la surface des composants sont vaporisés et libérés dans l'espace entourant 15 le satellite. La vapeur de la chambre 11 du détecteur est éliminée par l'écartement 24. Lorsque le satellite atteint sor orbite, certaines quantités de vapeur peuvent néanmoins rester près de l'ensemble 10. Ce sont ces vapeurs qui présentent le problème de la condensation dans la chambre 11. La vapeur 20 d'eau est l'ion des produits de contamination les plus importants. D'autres matériaux du type utilisé dans ce domaine et pouvant contaminer un détecteur sont constitués par les huiles , les polymères, les polyesters et les . alcools. Durant le fonctionnement du détecteur dans le satellite en orbite, 25 avec l'ensemble dirigé vers l'horizon par exemple, ou certaines parties de la surface de la terre, l'énergie à infrarouges passe par le détecteur 22 en suivant le trajet 16 au centre de l'ensemble 11, et en traversant la fenêtre 26. Le matériau photo-conducteur du détecteur change de résistance 30 électrique, en réponse à la réception de l'énergie du signal à infrarouges. Un circuit électronique convenable, non représenté, est relié au détecteur 22 pour traiter les signaux à infrarouges. L'écran extérieur 12 et sa structure de montage sont maintenus à une température d'approximativement 200°K, tandis que l'écran intérieur 14 35 et le montage du détecteur sont maintenus à approximativement 95°K par des dispositifs de commande de la température non représenté^ mais bien connus des spécialistes. En général, l'écran intérieur est maintenu à une température 71 46310 5 2119035 inférieure à la température de condensation de la vapeur, tandis que l1écran extérieur, isolé de l'écran intérieur par l'espace qui les sépare, est à une température supérieure à la température de condensation de la vapeur. La vapeur d'eau comportant des molécules d'eau 28 ne peut pas atteindre la 5 fenêtre 26 refroidie car elle est interceptée dans la région 30 généralement comprise entre l'entrée 15 de l'écartement 24 et la partie de surface 14a du rebord annulaire 19 de l'écran 14. Les parties de surfaces 14a et 14b de l'écran intérieur 14 étant métalliques sont à une température de 95°K, c'est-à-dire pratiquement à la température de l'écran 14. Les molécules d'eau 10 28 qui peuvent entrer en contact avec les parties de surfaces 14a et 14b gèlent, et restent sur ces parties sous la forme de glace. Toute molécule d'eau 20 qui pénètre par l'entrée 15 ne peut pas traverser entièrement l'écartement 24, car le libre parcours moyen des molécules d'eau à la pression de fonctionnement est supérieur à la dimension r^. 15 Les molécules d'eau 28 se déplacent selon une portée optique rectiligne, et par conséquent, ne peuvent pas pénétrer par l'entrée 15 selon un trajet parallèle à l'écartement, sans frapper tout d'abord la partie de surface froide 14a ou 14Jj. Lorsqu'elles frappent cette surface froide 14a ou 14b, les molécules d'eau 28 sont arrêtées et gèlent, et par conséquent, ne 20 peuvent pas pénétrer dans la partie de chambre centrale du détecteur 11. En général, la vapeur du matériau volatil se condense ou se cristallise sur la surface froide, en fonction des conditions ambiantes. L'écran extérieur 12 et l'écran intérieur 14 sont de préférence plaqués avec un matériau à faible pouvoir émissif, tel que l'or, de manière 25 que les fuites de la chaleur depuis la partie d'écran 12 vers la partie collectrice 14soient minimales. Le détecteur anti-condensation peut être tel que les pertes thermiques depuis l'écran extérieur 12 relativement plus chaud vers l'écran intérieur 14 plus froid n'excèdent pas 10 mW . Les spécialistes comprendront qu'il est essentiel de maintenir les pertes thermiques à une valeur 30 minimale dans le cas d'un refroidisseur passif, de manière à obtenir les faibles températures du détecteur nécessaires pour un fonctionnement optimal du système. La figure 2 représente un schéma de l'appareil nécessaire pour effectuer des tests sur le dispositif anti-gel du détecteur à infrarouges conforme à l'invention, dans un milieu ambiant simulant le dispositif pour les altitudes du satellite. 35 Les spécialistes comprendront que lorsque l'invention est utilisée dans le milieu ambiant d'une orbite de satellite autour de la terre, les effets de la pesanteur sur les déplacements des matériaux pouvant être transformés 71 46310 6 2119035 en vapeur telles que les molécules d'eau, sont négligeables. Le libre parcours moyen des molécules d'eau dans l'appareil de l'invention pour des altitudes de 160 km ou davantage est de l'ordre de 1 à 2 mètres. Un simple calcul montre que la déviation d'une molécule d'eau sous l'effet de la pesanteur à 1 g 2 ^ 5 (9,8 m/s ) est de l'ordre de 76 x 10 mm. Cette déviation est environ 4 fois inférieure en amplitude aux dimensions réelles d'un dispositif anti-condensation conforme à l'invention. Bien entendu, l'effet de la pesanteur n'a aucune conséquence sur le fonctionnement du dispositif anti-condensation, et peut être considéré comme négligeable. 10 Le détecteur 10 est monté dans un cloche 32 en acier inoxydable, et aligné avec une source d'infrarouges 34 par des supports 36 et 38 sur une base 40. La fenêtre 31 est constituée d'un écran au germanium laissant passer lesrayons infrarouges dans le détecteur. La ligne de refroidissement d'entrée 42 et la ligne de refroidissement de sortie 44 permettent au réfrigérant de 15 circuler autour des détecteurs 22. Les lignes 42 et 44 sont reliées à une source de réfrigérant 46. Le manomètre à couple thermique 50 indique la pression à l'intérieur de la cloche. La quantité d'eau sous forme de vapeur est injectée à l'intérieur de la cloche à l'aide du conduit 52 et d'une commande à soupape à aiguille 54, de façon ^ 20 réglable. Des tests sont effectués sur le dispositif anti-condensation 10 en utilisant le'fliilieu ambiant simulé représenté sur la figure 2. De l'eau a été injectée directement par l'intermédiaire de la ligne 52 dans le milieu ambiant entourant le dispositif 10, tandis que les températures du dispositif 25 ont été maintenues à des Valeurs simulant le fonctionnement en orbite, pour déterminer si des pertes du signal du détecteur se produisaient tandis que la source de rayons à infrarouges simulée 34 appliquait directement un rayon d'énergie infrarouges au détecteur 22. Ces tests ont montré que le dispositif anti-condensation empêchait vraiment la vapeur d'eau de pénétrer dans la chambre 30 11. Par conséquent, le détecteur 22 fonctionnait selon les espérances de la demanderesse, pour de grandes quantités de vapeur d'eau dans le milieu ambiant entourant les écrans 12 et 14. D'autres tests ont été effectués sur le dispositif ant i - c o ndensation 10,pour des conditions de fonctionnement dans lesquelles l'humidité à l'intérieur de la chambre 11 était constituée pàr de l'eau iijectée 35 à travers la ligne 52 directement dans le/dispositif anti-gel, jusqu'à ce que des pertes du signal du détecteur se produisent, tandis que la source de rayons infrarouges 34 appliquait directement un rayon d'énergie infrarouge au détecteur 22. L'unité du détecteur 10 a été chauffée en réglant la température du réfri 71 46310 7 2119035 gérant à diverses valeurs pour diverses périodes, afin de déterminer si la glace qui s'accumulait sur et autour du détecteur était expulsée. Les résultats des tests ont montré que des températures aussi faibles que 180°K (-93°C) pouvaient expulser la glace, pourvu qu'un temps suffisant lui soit accordé. 5 Un accroissement marqué de la pression à l'intérieur de la cloche a montré que la température s'élevait jusqu'à 180°K. Le dispositif anti-condensation 10 n'a pas été maintenu à cette température de 180°K pour, par exemple, une expulsion complète, car le temps nécessaire à l'élimination d'humidité et de glace était impossible ; le temps d'élimination complet était d'au moins 50 heures. Cependant, 10 une élimination complète de l'humidité du système a été effectuée à des températures supérieures de l'ordre de 220°K pendant un temps relativement court. Selon ces essais simulés, il s'est avéré que le dispositif anti-condensation conforme à l'invention pouvait être débarrassé de l'eau en élevant les températures à 200°K, et peut être à des températures de 160°K à 15 180°KS pourvu qu'un temps suffisant soit accordé pour cette élimination. Ces essais simulés constituent, comme l'apprécieront les spécialistes, de bonnes simulations des conditions de fonctionnement des dispositifs en orbite dans 1'espace. ^ L'invention propose donc un dispositif anti-condensation empêchant 10 la condensation et la cristallisation des produits de contamination volatils dans un détecteur à énergie infrarouge, en présence de vapeur volatile telle que la vapeur d'eau, d'huile, etc., à des températures ambiantes très froides. Selon une caractéristique de l'invention, un écartement entre les écrans à double température entourant le trajet optique de l'énergie infrarouge fonctionne 25 comme éliminateur des molécules d'eau qui pourraient se déplacer dans le trajet de rayonnement et former de la glace sur les composants situés dans ce trajet. Il va de soi que l'invention décrite est susceptible de nombreuses modifications ou variantes sans pour autant sortir de son cadre. 71 46310 8 2119035 REVENDICATIONS 1. Appareil comportant une enveloppe, un détecteur de rayonnement dans cette enveloppe, un passage pratiqué dans les parois de l'enveloppe pour 5 le passage des vapeurs de contamination, cet appareil étant caractérisé en ce que l'écartement de ce passage est inférieur au libre parcours moyen de ces vapeurs, et en ce que des moyens sont prévus pour que les surfaces adjacentes à ce passage soient refroidies à une température située au-dessous de la température de condensation et de cristallisation de ces vapeurs, de manière que ces 10 vapeurs soient cristallisées ou condensées sur la surface, et ne puissent pas pénétrer dans ce passage. 2. Appareil selon la revendication 1, pour détecter le rayonnement d'un objet en présence d'un matériau volatil dans un milieu ambiant froid, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur de rayonnement situé dans le trajet 15 de rayonnement ; un écran cylindrique de forme allongée entourant le trajet de rayonnement adjacent au détecteur ; une fenêtre transparente au rayonnement fermant cet écran ; un écartement annulaire dans l'écran ; cet écartement ayant une dimension inférieure au libre parcours moyen des molécules de la vapeur du matériau volatil dans les conditions ambiantes ; la température de cet écran 20 étant réglée de manière que la température adjacente à l'écartement annulaire soit inférieure à la température de cristallisation et de condensation du matériau volatil; et que la température éloignée de l'écartement annulaire soit supérieure à la température de cristallisation et de condensation du matériau volatil. 25 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le détecteur est un détecteur à infrarouges. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'écran est constitué de deux cylindres coaxiaux, placés l'un par-dessus l'autre, et espacés l'un de l'autre pour définir ledit écartement annulaire. 30 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'écran est recouvert d'or. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la vapeurs de contamination sont choisies parmi les vapeurs d'eau, d'huile, de polymère, d'alcool et d'ester. 35 7. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'écartement annulaire est inférieur à 1 mètre, la température du milieu ambiant' se situant dans une gamme de 4 à 200°K, et la prerssion dans une gamme comprise -2 -12 entre 10 et 10 ma de Hg. 71 46310 9 2119035 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 ou 73 caractérisé en ce qu'il comporte un moyen pour régler les températures relatives des cylindres coaxiaux, comportant un moyen de refroidissement relié au cylindre intérieur. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications 4, 7 ou 8, caractérisé en ce que les cylindres peuvent se déplacer longitudinalement pour régler leur position relative, de manière à mettre au point le détecteur.