Brevet FR2834127A1 — publié le 20030627

La présente invention concerne les photodétecteurs refroidis, photodétecteurs thermiques ou photodétecteurs quantiques. Les photodétecteurs refroidis, ou plus brièvement photodétecteurs, sont généralement constitués de capteurs montés sur une table froide. refroidie par un refroidisseur. Plus précisément, la table se trouve à l'extrémité d'un puits d'un cryostat. La plupart des photodétecteurs de grande sensibilité, typiquement ceux pour recueillir des images thermiques, par exemple des images-infrarouge, nécessitent d'être refroidis à une température cryogénique. Dans le cas d'applications nécessitant un refroidissement très rapide, de l'ordre de quelques secondes, on utilise un refroidisseur du type à détente de Joule Thomson. Ces refroidisseurs se présentent sous la forme d'un serpentin se terminant par un gicleur et ils sont alimentées par un gaz neutre à haute pression pour en éjecter un flux qui, par détente isenthalpique au sortir du gicleur, provoque le refroidissement et de la table et du serpentin. Le gaz détendu, refluant sur le serpentin du refroidisseur, refroidit donc aussi le gaz neutre qui le traverse avant son éjection par le gicleur, et ainsi de suite jusqu'à liquéfaction en sortie du gicleur. A l'équilibre des deux phases liquide et gazeuse en sortie de gicleur, la température minimale est atteinte, la température à atteindre déterminant le choix du gaz neutre. L'équilibre thermique du photodétecteur n'est pas pour autant atteint. En effet, la table froide présente une inertie thermique qui s'y oppose. De plus, les capteurs doivent être mis à l'abri des rayonnement parasites au moyen d'un écran, solidaire de la table froide, également refroidi, et présentant aussi une inertie thermique à vaincre. L'ensemble du photodétecteur doit enfin être à une température suffisamment homogène pour ne pas altérer l'image captée. Actuellement, on a déjà réalisé des dispositifs mécaniques qui permettent à la fois d'améliorer le refroidissement de la table froide et d'homogénéiser la température du photodétecteur. Ces dispositifs sont décrits dans FR2671230 et FR2671431. Ils proposent de refroidir l'écran, solidaire de la table froide, par conduction. Malheureusement ces dispositifs ne sont plus assez rapides lorsqu'on augmente le nombre de capteurs ou de photosites (barrettes ou matrices). En effet, la dimension du détecteur est plus importante, ce qui augmente d'autant l'inertie thermique et l'hétérogénéité de température. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient. A cet effet, l'invention concerne un photodétecteur refroidi comportant une table froide, des capteurs montés sur la table, un écran pour éviter les rayonnements parasites sur les capteurs, et au moins un refroidisseur Joule-Thomson pour refroidir la table et l'écran, caractérisé par le fait que la table et l'écran sont refroidis par convexion. En plus de la conduction thermique entre la table et l'écran, qui permet à l'écran de se refroidir par conduction mais avec un traînage dû à l'inertie thermique de la table, on refroidit l'écran par un flux gazeux parallèlement à celui qui refroidit la table, donc sans traînage. Avantageusement, le photodétecteur est agencé pour que la table et l'écran soient refroidis de façon concomitante. Les flux gazeux sont éjectés simultanément sur la table et sur l'écran. On réduit ainsi le traînage thermique entre la table et l'écran. Avantageusement encore, le photodétecteur ne comporte qu'un refroidisseur pour refroidir à la fois la table et l'écran. On détourne une partie du flux gazeux refroidissant la table pour en même temps refroidir l'écran. Dans la forme de réalisation préférée du photodétecteur de l'invention, la table est percée d'orifices de passage du flux de refroidissement communiquant avec une cavité annulaire de mise en froid de l'écran et la cavité de mise en froid de l'écran s'étend entre deux enveloppes cylindriques fixées sur la table. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de plusieurs formes de réalisation du détecteur, en référence au dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est une vue schématique d'un détecteur de l'art antérieur ; - la figure 2 montre les courbes d'abaissement de température de la table et de l'écran du détecteur de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique en coupe d'une première forme de réalisation du détecteur de l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique de dessus du détecteur de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue schématique en coupe d'une deuxième forme de réalisation du détecteur de l'invention ; - la figure 6 est une vue schématique de dessus du détecteur de la figure 5. En référence à la figure 1, un photodétecteur, ou détecteur, 1 est ordinairement constitué de capteurs (photodétecteurs) 2 montés sur une table froide 3 refroidie par un refroidisseur, ici une sonde Joule-Thomson montée dans un puits de cryostat (doigt froid) 4 et constituée d'un serpentin 5 alimenté en gaz neutre à haute pression et terminé par un gicleur 6 d'où ce gaz est éjecté. Un écran 7 monté, par exemple collé, sur la table 3 protège, quand la température de fonctionnement Of est atteinte, les capteurs 2 de tous rayonnements parasites. L'ensemble est isolé par le vide ou un gaz neutre dans un cryostat non représenté. En sortant du gicleur 6, le gaz se détend dans le doigt froid 4 et est refoulé par la table froide 3 sur le serpentin 5, qu'il refroidit en même temps que la table, provoquant ainsi l'abaissement progressif de la température de la table jusqu'à la température Of selon une loi temporelle Lc qualitativement représentée sur la figure 2. Corrélativement, l'écran 3, monté solidaire de la table, initialement à la même température Oo que la table, se refroidit plus tardivement et plus lentement selon une loi Le, à cause du fait que son refroidissement est assuré par conduction thermique à travers la masse de la table et donc dépend de son inertie thermique, ce qui provoque un traînage thermique . 8. L'effet de ce traînage thermique, qui certes diminue dans le temps et même se stabilise à tf, se traduit donc par une différence de température entre la table et l'écran qui nuit à l'homogénéité thermique de l'ensemble durant l'intervalle de temps tf-to. C'est cet intervalle de temps que l'invention permet de réduire. Pour cela, en référence à la figure 3, il est proposé de refroidir l'écran 70 en même temps que la table 30, par convexion. Le détecteur 10 se compose ici de capteurs 20 montés sur la table 30 refroidie par un refroidisseur 41 et sur laquelle est monté un écran 70 lui-même refroidi par un refroidisseur 42 comportant un conduit annulaire 43 autour de l'écran 70 qui canalise la convexion sur l'écran. Ainsi, la table et l'écran sont refroidis simultanément par les mêmes moyens. On notera que la paroi du conduit 43 constitue une paroi froide et que l'ensemble est disposé à l'intérieur d'une enveloppe à paroi chaude comportant un filtre d'entrée. Les alimentations des refroidisseurs peuvent être issues de la même source 44, assurant ainsi encore mieux la concomitance des refroidissements de la table et de l'écran. Dans la forme de réalisation des figures 5 et 6, la table circulaire 50, sur laquelle sont montés les capteurs 66, est refroidie par un puits 51 qui se raccorde à la table par une portion tronconique 52. Sur deux secteurs périphériques 53,54, diamétralement opposés, la table est percée de deux pluralités d'orifices ou évents, 55,56 de passage du flux de refroidissement. On notera que les deux secteurs de passage du flux de convection sont décalés de 90 par rapport à deux autres secteurs 57,58 diamétralement opposés par lesquels s'étendent des pistes 59,60 de sorties électriques du détecteur, disposées en couche interne sous l'écran, et reliées à une électronique de traitement d'image. L'écran 80 est constitué d'une enveloppe cylindrique 61,62 à l'intérieur de laquelle s'étend une cavité annulaire 63 communiquant avec les orifices de passage 55,56. Un rebord annulaire 64 ferme en partie l'espace 65 intérieur à l'enveloppe interne 62 de l'écran 80, l'ouverture centrale du rebord pouvant être obturée par un filtre optique. Les deux enveloppes 61,62 de l'écran sont constituées ici d'une paroi mince en métal conducteur (cuivre/nickel par exemple). Les enveloppes 61,62 sont ici fixées à la table 50 par collage. La table froide 50 est ici constituée de plusieurs couches de matériau céramique à grande conductivité dont le coefficient de dilatation est compatible avec le détecteur. Ainsi, par les orifices de passage 55,56, la cavité 63 de l'écran 80 communique avec le volume de détente du refroidisseur Joule-Thomson 51,52 sous la table froide 50. Ainsi encore, a été créé un volume de détente distribué à la fois à l'extrémité du refroidisseur 51, 52 et dans la cavité intérieure 63 de l'écran 80. Il en résulte une homogénéisation rapide et concomittante du détecteur et de l'écran. Dans le détecteur des figures 3 et 4, les fonctions de refroidissement de la table froide et de l'écran sont dissociées, mais avec une source de gaz frigorigène commune. Si les réserves de gaz le permettent, on peut même utiliser deux lignes cryogéniques séparées, avec un refroidisseur Joule-Thomson classique pour la mise en froid de la table et un second refroidisseur pour l'écran. De même, et inversement, on pourrait imaginer mettre en froid la table et l'écran par une seule ligne cryogénique à un seul refroidisseur d'une structure adaptée en conséquence. En référence aux figures 5 et 6, on pourrait concevoir que la cavité de mise en froid soit intégrée à la table froide et réalisée par usinage. On pourrait aussi imaginer que cette cavité soit scindée en deux lobes. Dans ce cas, les pistes de sorties électriques seraient alors rapportées séparément à l'extérieur, de même que l'écran. REVENDICATIONS 1. - Photodétecteur refroidi (10 ; 80) comportant une table (30 ; 50), des capteurs (20 ; 66) montés sur la table, un écran (70 ; 80) pour éviter les rayonnements parasites sur les capteurs, et au moins un refroidisseur JouleThomson (41,42) pour refroidir la table et l'écran, caractérisé par le fait que la table (30 ; 50) et l'écran (70 ; 80) sont refroidis par convexion. 2.-Photodétecteur selon la revendication 1, dans lequel la table (30 ; 50) et l'écran (70 ; 80) sont refroidis de façon concomitante. 3.-Photodétecteur selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel il est prévu un seul refroidisseur (40) pour refroidir à la fois la table (50) et l'écran (80). 4.-Photodétecteur selon la revendication 3, dans lequel la table (50) est percée d'orifices (55) de passage du flux de refroidissement communiquant avec une cavité annulaire (63) de mise en froid de l'écran (80). 5.-Photodétecteur selon la revendication 4, dans lequel la cavité (63) de mise en froid de l'écran (80) s'étend entre deux enveloppes cylindriques (61,62) fixées sur la table (50). 6.-Photodétecteur selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel le refroidisseur comporte un puits (51) de refroidissement de la table (50) raccordé à la table par une portion tronconique (52). 7.-Photodétecteur selon la revendication 4, dans lequel la cavité de mise à froid est intégrée à la table et réalisée par usinage.