Brevet FR2703440A1 — publié le 19941007

La présente invention concerne des systèmes de refroidissement en cycle fermé et, plus particulièrement, des refroidisseurs miniatures de type Stirling utilisés pour refroidir des détecteurs à infrarouge. Actuellement, l'une des tendances du domaine de l'imagerie thermique infrarouge s'oriente vers un système à balayage électronique basé sur un réseau de détecteurs à infrarouge disposés dans un plan focal Ces détecteurs doivent être refroidis jusqu'à une température cryogénique afin de maintenir un rapport signal-sur-bruit optimal. De tels détecteurs à infrarouge sont connus sous le nom de détecteurs de Réseau de Plan Focal (FPA) et sont caractérisés par leur dimension et leur masse thermique relativement grandes par rapport à celles des détecteurs d'éléments discrets classiques. Pour isoler le plus possible ces détecteurs de la source de rayonnement infrarouge et non du champ de visée souhaité, la zone des détecteurs doit être entourée d'un ensemble refroidi formant écran au rayonnement qui comporte l'ouverture et, dans certains cas, des éléments optiques refroidis tels que des filtres, des lentiles, etc Cet ensemble doit être refroidi jusqu'à 100-2000 K pour atteindre un rendement convenable et dans toutes les applications pratiques n'a pas à être refroidi à la même température que l'ensemble des détecteurs FPA. Les dimensions géométriques de l'ensemble des détecteurs et les exigences optiques posent les dimensions et la masse thermique de l'ensemble formant écran au rayonnement. Pour ce type de détecteur, ce sont les exigences du temps de refroidissement qui imposent la puissance de refroidissement du refroidisseur (et par conséquence directe, ses dimensions, son poids et sa puissance appliquée) plutôt que la charge thermique réelle. Le temps de refroidissement est directement proportionnel à la masse thermique totale à refroidir îO jusqu'à la température cryogénique d'un refroidisseur donné La seule option qui permet d'obtenir un temps de refroidissement court d'un ensemble de détecteurs donnés jusqu'à une température fonctionnelle donnée est la suivante: 1 réduire la masse thermique de l'ensemble des détecteurs, 2 réduire la plage de température des composants refroidis, ou 3 augmenter la puissance de refroidissement du refroidisseur. La puissance de refroidissement d'un refroidisseur typique de Stirling est directement proportionnelle à la puissance qui lui est appliquée et indirectement proportionnelle à ses dimensions et à son poids. Ainsi, le principal objet de l'invention est de proposer une combinaison de cryo-refroidisseurs/dewar miniatures, spécialement conçue pour un réseau de Détecteurs à Infrarouge de Plan Focal FPA. Un autre objet de l'invention est de réduire au minimum la puissance appliquée au refroidisseur, son poids et ses dimensions, et de maintenir un temps de refroidissement court. Ainsi, il est proposé de réduire la charge thermique et la masse thermique en montant l'ensemble des détecteurs directement sur le côté froid du refroidisseur. Le refroidisseur proposé est du type Stirling d'une seule pièce à deux étages dans lequel l'écran au rayonnement/l'ensemble optique froid est monté sur le premier étage refroidi entre 1000 K et 2000 K et non sur le second étage refroidi entre 700 K et 1000 K sur lequel l'ensemble des détecteurs est installé. Cette approche spéciale permet de réduire au minimum la puissance appliquée, les dimensions et le poids tout en obtenant un temps de refroidissement très court. Cette miniaturisation est spécialement intéressante pour des systèmes portables "utilisables en dehors du laboratoire" pour lesquels le poids, les dimensions et la puissance appliquée sont des paramètres importants. Actuellement aucun autre procédé de refroidissement ayant des caractéristiques semblables n'est ni disponible, ni en cours de développement. Selon l'invention il est proposé une nouvelle construction d'ensemble de refroidisseurs/dewar, le refroidisseur étant du type stirling à deux étages, le réseau des détecteurs étant directement monté sur le second étage d'expansion du refroidisseur et l'ensemble formant écran au rayonnement étant mécaniquement et thermiquement fixé au premier étage d'expansion du refroidisseur. Comme indiqué, le réseau des détecteurs est directement monté sur le second étage du refroidisseur et y est thermiquement fixé et l'ensemble formant écran au rayonnement est thermiquement et mécaniquement fixé au premier étage d'expansion du refroidisseur et refroidi jusqu'à une plage de température comprise entre 1000 K et 2000 K Tous les composants refroidis sont construits en visant à réduire au minimum les masses thermiques et mécaniques. L'invention va maintenant être décrite en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue latérale de l'ensemble; et la figure 2 est une vue d'extrémité de l'ensemble. Le cryo-refroidisseur de Stirling comporte un boitier 1 et un premier étage d'expansion 2 du cryo-refroidisseur, une partie 3 d'expansion du second étage et un support 4 du réseau de détecteur; une enveloppe dewar sous vide 5 et la fenêtre frontale 6, l'ouverture 7 de l'écran froid et l'écran froid 8; une traversée électrique à broches multiples qui pénètre dans 1 o l'enveloppe dewar sous vide 9 et un réseau IR de Plan Focal 10. On peut voir que seul le Réseau IR de Plan Focal et son support de montage doivent être refroidis jusqu'à la température fonctionnelle des détecteurs Le premier étage d'expansion du refroidisseur forme la masse thermique et mécanique de la masse thermique la plus importante de l'ensemble formant écran au rayonnement à une température absolue plus élevée Cet agencement réduit notablement l'inertie thermique totale des parties refroidies et permet d'obtenir un temps de refroidissement plus court. En outre, -ce principe augmente la rigidité mécanique de l'étage d'expansion/ensemble des détecteurs, ce qui est fondamental pour obtenir une image de grande qualité. REVENDICATION Nouvelle construction de la partie froide d'un système cryogénique de Stirling à deux étages ( 2-3) caractérisée en ce que l'ensemble des détecteurs est direc- tement monté sur le dessus du second étage d'expansion ( 3) du refroidisseur et que le montage de l'ensemble formant écran au rayonnement est mécaniquement et thermiquement relié au premier étage ( 2) du refroidisseur.