Brevet FR2754637A1 — publié le 19980417

Système de détection optique protégé contre les impulsions électromagnétiques L'invention se rapporte au domaine de l'optronique et plus particulièrement à la protection des systèmes optroniques par mise en place d'un système de détection optique protégé contre les impulsions électromagnétiques. Dans le domaine des systèmes optroniques, les photodétecteurs utilisés dans les bandes spectrales allant de l'ultraviolet à l'infrarouge lointain sont en général constitués de diodes photovoltaïques ou de diodes Schottky associées à des circuits de lecture silicium, MOSFET, C MOS, CCD etc. Ces détecteurs sont placés sur le plan de focalisation de systèmes optiques qui, dans le cas général, ne peuvent être réalisés en matériau conducteur de l'électricité et qui donc ne permettent pas d'assurer le blindage électromagnétique des détecteurs. Lors de manifestations telles que le foudroiement ou l'explosion nucléaire, à haute ou basse altitude pour les équipements embarqués sur avion, les équipements optroniques sont frappés par une impulsion électromagnétique (I.E.M) dont les champs électriques, concentrés par les structures optiques, peuvent atteindre plusieurs centaines de kilovolts par mètre. De même, le concept d"'arme hyperfréquence" repose sur l'émission d'impulsions électromagnétiques de plusieurs centaines de kilovolts par mètre, à des fréquences de plusieurs gigahertz. Dans ce cadre le blindage est encore plus critique que pour une impulsion électromagnétique d'origine nucléaire car la longueur d'onde est beaucoup plus petite. Or les photodiodes de détection claquent dans ces conditions pour des énergies reçues inférieures à lJ/cm2 Dans le domaine du blindage électromagnétique, il est connu d'utiliser des grilles de blindage. Mais compte tenu des longueurs d'onde considérées, l'utilisation d'une simple grille de blindage sur les systèmes optiques conduirait à réaliser de véritables nids d'abeille profonds pour blinder efficacement le photodétecteur. Un tel dispositif n'est pas compatible avec les champs et les ouvertures optiques nécessaires à de tels systèmes. L'invention a pour objet un système de détection optique protégé contre l'impulsion électromagnétique de manière efficace, sans perturber le champ ou l'ouverture optique du système. Pour cela, un blindage est réalisé directement au niveau de la fenêtre du détecteur, sous la forme d'une lame de gaz raréfié, normalement transparente dans la bande spectrale du détecteur, et qui s'ionise avec l'apparition d'un champ électrique important. Cette lame fonctionne alors comme un éclateur à gaz ultra rapide et court-circuite l'onde incidente refermant ainsi l'enveloppe de blindage. Selon l'invention, un système de détection optique protégé contre les impulsions électromagnétiques comportant un photodétecteur sensible à la gamme de longueurs d'onde à détecter, est caractérisé en ce que le photodétecteur est placé dans une enceinte électriquement continue à l'exception d'un hublot par lequel le rayonnement optique à détecter est transmis au photodétecteur, et en ce que le hublot est constitué de deux lames parallèles espacées transparentes au rayonnement optique à détecter, l'espace délimité par les faces parallèles des lames espacées et par le bord de l'enceinte conductrice sur laquelle sont montées les lames étant occupé par un gaz raréfié, également transparent au rayonnement optique à détecter en fonctionnement normal et ionisable en cas d'impulsion électromagnétique pour former alors une enceinte électriquement continue autour du photodétecteur. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées. - La figure 1 est un schéma de la tête de détection optique protégé contre l'impulsion électromagnétique selon l'invention, en coupe longitudinale - La figure 2 est une représentation en plan d'un mode de réalisation des lames de la fenêtre d'entrée enfermant le gaz raréfié - La figure 3 est le schéma d'un système de détection protégé contre l'IEM, selon l'invention. La description qui suit est donnée en référence à un exemple appliqué à un photodétecteur infrarouge, mais le même système est applicable à un autre photodétecteur, même si la forme du boîtier varie ainsi que sa pression interne. Comme représenté sur la figure 1, la tête de détection optique comporte un photodétecteur infrarouge 1 monté dans un boîtier qui, selon la technique courante, constitue un vase type "Dewar" évacué c'est-à-dire un vase isolant à double paroi, l'espace entre les parois étant sous vide, et la partie centrale étant refroidie par une sonde cryogénique non représentée. Le photodétecteur infrarouge 1 est donc placé à l'intérieur du vase, contre la partie refroidie interne, cette partie centrale 2 étant refroidie par la sonde cryogénique. Les connexions 3 du détecteur traversent l'espace évacué, et sortent vers l'arrière de l'ensemble, sur les bords du vase "Dewar". Le corps extérieur 4 du vase Dewar est réalisé dans un matériau bon conducteur de l'électricité, et ce corps extérieur est relié électriquement et d'une manière géométriquement continue (sans trou) avec le reste du blindage extérieur de l'équipement situé vers l'arrière. Ce corps extérieur constitue donc un bon blindage du détecteur et des connexions, sauf côté avant où se situe le hublot, ou fenêtre optique, de passage du rayonnement à détecter. L'invention a particulièrement pour objet la constitution d'un hublot spécifique qui permet de réaliser un blindage continu dans les cas où cela est nécessaire, c'est-à-dire en cas d'impulsion électromagnétique. Selon l'invention le hublot 10 est réalisé à partir de deux lames 5 et 6 constituées d'un matériau transparent dans la bande spectrale du détecteur, par exemple constituées de germanium pour un système photodétecteur infrarouge. Pour un photodétecteur dans le domaine visible ou proche infrarouge, les deux lames 5 et 6 de matériau transparent à la bande spectrale correspondante pourront être constituées d'un verre spécifique, adapté aux longueurs d'ondes à transmettre. Ces deux lames sont séparées par un espace 7 rempli d'un gaz raréfié tel que ceux utilisés habituellement pour les éclateurs para-foudre. Plusieurs gaz conviennent. On choisira de préférence des gaz inertes chimiquement tels que le Néon, l'Argon, le Krypton, etc. Cet espace rempli de gaz raréfié est bordé extérieurement par un matériau bon conducteur, en contact électrique avec le corps extérieur du boîtier, 4. Sur la figure 1 a été représenté un joint 8 en contact avec le corps extérieur 4 d'une part et avec le gaz raréfié d'autre part et dans lequel sont maintenues de manière étanche, pour former un Joint étanche, les lames transparentes 5 et 6 délimitant l'espace de gaz. La figure 3 illustre un système de détection infrarouge protégé qui comporte, en plus de la tête de détection optique telle que décrite ci-dessus un ensemble optique d'entrée 20, une sonde cryogénique, 30, des circuits de traitement électriques 40, et l'enveloppe 50 de l'ensemble de traitement formant avec le corps extérieur 4 de la tête de détection une enveloppe électriquement continue en cas d'IEM. Le système photodétecteur décrit ci-dessus fonctionne de la manière suivante : lorsqu'une impulsion électromagnétique, IEM, arrive sur le hublot, le champ électrique très grand et très soudain Ionise le gaz raréfié contenu dans l'espace 7. Ce gaz devient donc très bon conducteur et referme ainsi le blindage constitué par le corps 4, enfermant le photodétecteur dans une enceinte continue. - Pour que la protection du détecteur soit efficace, il est indispensable que le champ électrique crée par l'IEM n'atteigne pas le détecteur optique, et donc que l'ionisation du gaz soit très rapide pour former une enceinte électriquement continue dans laquelle le détecteur optique est protégé, l'espace de gaz formant court-circuit. La rapidité du phénomène d'ionisation et de décharge dans le gaz raréfié dépend d'un certain nombre de paramètres nature du gaz, pression, distance entre les équipotentielles, et présence d'atomes déjà ionisés dans le gaz, au moment de l'arrivée de l'impulsion électromagnétique. Les paramètres liés au gaz et aux caractères géométriques du système peuvent être optimisés pour rendre l'ionisation aussi rapide que possible. De plus, des caractéristiques complementares peuvent être prévus pour accélérer la décharge dans le gaz. Un premier moyen d'accélérer la décharge dans le gaz et d'augmenter ainsi l'efficacité de la protection du photodétecteur consiste à disposer à proximité de l'espace 7 ou dans cet espace, quelques traces d'un corps radioactif émetteur de rayons gamma dont le rôle ionisant sur le gaz permet de conserver toujours un nombre suffisant d'ions et d'électrons libres pour que l'avalanche se déclenche très rapidement. Un autre moyen, dans la mesure où le hublot est situé assez loin du plan de focalisation optique, c'est-à-dire du plan du photodétecteur 1, consiste à déposer des fines bandes conductrices 9 sur les lames 5 et 6 sur leurs faces en contact avec le gaz, comme représenté sur la figure 2 permettent de favoriser localement l'élévation du champ électrique au moment de l'arrivée de l'impulsion électromagnétique. Ces fines bandes conductrices, qui constituent des surfaces équipotentielles doivent avoir des points assez rapprochés pour favoriser localement cette élévation de champ électrique au moment de l'arrivée de L'ITEM afin d'amorcer rapidement la décharge. Si le plan de focalisation est proche de la fenêtre d'entrée, l'image des bandes détectrices formée sur le photodétecteur perturbe l'image résultante, en fonctionnement normal. Les bandes représentées sur la figure 2 ont été disposées suivant des rayons des lames 5 et 6 formant le hublot, mais ces fines bandes peuvent avoir d'autres configurations leur rôle restant le même. Pour éviter une usure prématurée des bandes conductrices 9, en cas d'impulsions électromagnétiques répétées, ces bandes seront fabriquées avec un matériau assez résistif qui provoquera l'extension rapide de l'ionisation dans le gaz raréfié, lequel conduit ainsi le maximum du courant de court-circuit. D'autres perfectionnements ou modifications de structures peuvent être envisagés tout en restant dans le cadre de 1 'inven- tion telle que décrite ci-dessus. En particulier, le corps extérieur 4 du boîtier et le hublot ionisable peuvent ne pas faire partie de l'ensemble détecteur directement: ils peuvent être situés plus avant dans l'ensemble optique d'entrée sans changer le principe de l'invention, pourvu que l'espace contenant du gaz raréfié situé entre les deux lames transparentes forme en cas de ionisation une surface continue avec d'autres éléments conducteurs entourant le photodétecteur optique. Ainsi, une protection contre les impulsions électromagnétiques violentes d'origines diverses est obtenue pour un système photo détecteur, déclenché par l'impulsion électromagnétique elle-même, le gaz raréfié servant d'éclateur. L'invention s'applique particulièrement aux caméras infrarouges et de télévision, mais un système de détection optique susceptible d'être détruit par l'impulsion électromagnétique peut être équipé, suivant le même principe, d'une fenêtre d'entrée optique constituée de deux lames transparentes au rayonnement à transmettre fermant un espace contenant du gaz raréfié servant d'éclateur pour refermer une surface conductrice entourant la zone à protéger lors d'impulsions électromagnétiques. REVENDICATIONS 1. Système de détection optique protégé contre les impulsions électromagnétiques comportant un photodétecteur (1) sensible à la gamme de longueurs d'onde à détecter, caractérisé en ce que le photodétecteur est placé dans une enceinte électriquement continue à l'exception d'un hublot (10) par lequel le rayonnement optique à détecter est transmis au photodétecteur, et en ce que le hublot est constitué de deux lames parallèles espacées (5, 6) transparentes au rayonnement optique à détecter, l'espace (7) délimité par les faces parallèles des lames espacées et par le bord de l'enceinte conductrice sur laquelle sont montées les lames étant occupé par un gaz raréfié, également transparent au rayonnement optique à détecter en fônc- tionnement normal et ionisable en cas d'impulsion électromagnétique pour former alors une enceinte électriquement continue autour du photodétecteur. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz raréfié contient des atomes ionisés. 3. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que des traces d'un corps radioactif émetteur de rayons gamma sont disposées dans ou à proximité du gaz raréfié, pour accélérer le déclenchement de l'ionisation du gaz en cas d'impulsion électromagnétique. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins une fine bande conductrice (9) est déposée sur au moins une face des lames transparentes (5, 6) en contact avec le gaz, pour porter des points éloignés des bords de ' l'enceinte conductrice à un même potentiel et favoriser l'élévation du champ électrique lors d'une impulsion électromagnétique pour amorcer la décharge dans le gaz. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que de fines bandes conductrices (5) en contact avec le bord de l'enceinte sont disposées sur les lames transparentes selon des rayons. 6. Système selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les fines bandes conductrices sont fabriquées avec un matériau assez résistif, pour provoquer l'extension rapide de l'ionisation dans le gaz lors d'une impulsion électromagnétique. 7. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz raréfié est un gaz inerte chimiquement.