Brevet FR2967256A1 — publié le 20120511

DETECTEUR DE RAYONNEMENT INFRAROUGE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention a trait au domaine des détecteurs infrarouge, plus particulièrement ceux fonctionnant à basse température, c'est-à-dire typiquement à des températures comprises entre 50 et 200 Kelvin (K). De tels détecteurs infrarouges basse température, fonctionnant selon une physique quantique, sont généralement associés à une enceinte cryostatique (cryostat), contenant, selon la température d'utilisation, de l'hélium ou de l'azote liquide ou un dispositif cryogénérateur. Le détecteur proprement dit est constitué d'une pluralité de détecteurs unitaires ou élémentaires, dénommés photosites, associés à un circuit de lecture, l'ensemble, communément appelé « bloc de détection », étant fixé mécaniquement et en échange thermique avec le doigt froid du cryostat, de telle sorte à porter ledit détecteur à la température souhaitée. Ces dispositifs comportent généralement un écran froid percé d'une fenêtre jouant le rôle de diaphragme, et ce afin de limiter les réflexions parasites générées, notamment par le rayonnement dit « inutile » après qu'il ait subi des réflexions et/ou des réfractions sur et dans les matériaux du circuit de détection et/ou du circuit d'exploitation. De tels rayonnements génèrent, lorsqu'ils atteignent les photosites, des signaux électriques incohérents, pénalisant de fait les performances électro-optiques du système qui, en l'absence de tels rayonnements parasites, approcheraient leur précision théorique. Plus particulièrement, et notamment dans le cadre de la détection de rayonnements infrarouge de faibles signaux, on cherche à s'affranchir du bruit provenant justement du flux infrarouge parasite hors champ de vision, qui se réfléchit sur les éléments internes du cryostat. ÉTAT DE LA TECHNIQUE Afin de surmonter cette difficulté, et donc de minimiser ce flux parasite, on a proposé de recouvrir certains composants internes au cryostat d'un matériau absorbant les longueurs 35 d'ondes du rayonnement infrarouge parasite, et ce pour des angles d'incidence les plus importants possibles par rapport à la normale à la surface du détecteur. L'absorption passive d'un flux lumineux est fondée sur deux principes généraux, souvent complémentaires :30 - l'absorption intrinsèque de type photon + phonon du matériau pour une gamme de longueurs d'onde déterminée : cette absorption se traduit généralement par une augmentation de l'agitation thermique du matériau ; - l'absorption par effet géométrique de surface : cette méthode a pour objectif de piéger le rayonnement dans une structure de type rugueuse et/ou alvéolaire. Le rayonnement ainsi piégé subit de multiples réflexions dans cette structure, perdant à chaque réflexion une partie de son énergie. Le but final est d'obtenir un état de surface maximalisant le nombre de réflexions, pour ainsi réduire le plus possible le flux lumineux ainsi réémis. Ce type de surface favorise les réflexions du type diffuses, limitant ainsi la réflexion spéculaire, principale source de flux parasite au premier ordre. Parmi les matériaux absorbants, aujourd'hui mis en oeuvre dans le domaine de la détection infrarouge, on distingue : - des absorbants organiques, de type peinture. Ils sont typiquement constitués d'un matériau polymère, tel que par exemple du silicone, du polyuréthane, de l'époxy, chargé par un matériau absorbant le rayonnement infrarouge et notamment du graphite ou du noir de fumée. Cette peinture est déposée sur la surface à traiter, puis « séchée » ou polymérisée en fonction de la base utilisée. Un tel absorbant présente une certaine souplesse en fonction du domaine d'absorption infrarouge recherché, de par l'adaptation de la charge absorbante en fonction de la bande de longueurs d'onde infrarouge à absorber. Cependant, le liant polymère peut être une source non négligeable de dégazage, et ce même après les opérations amont de pré-dégazage des sous-ensembles entrant dans la constitution du détecteur. Cette difficulté s'avère rédhibitoire en relation avec la maintenance et la durée de vie du cryostat. Au demeurant, la plupart des polymères utilisés ne permettent pas d'utiliser des process haute température, c'est-à-dire supérieures à 200°C, traditionnellement favorables à la diminution du dégazage ; - des absorbants de nature inorganique : parmi ceux-ci, figurent les absorbants dits « mono-composants », typiquement constitués d'un matériau à base de métal, par exemple le cuivre ou une forme particulière d'oxyde d'aluminium. Le principe d'absorption est principalement basé sur une topologie de surface de type rugueuse ou alvéolaire. La mise en oeuvre de tels absorbants présente l'avantage d'un faible taux de dégazage. En revanche, on se heurte à une relative fragilité de la surface lors des manipulations, les revêtements pouvant alors présenter un aspect pulvérulent, là encore rédhibitoire pour l'application envisagée. Dans cette famille, on connaît également les multicomposants ou multi-couches. La fonction d'absorption est obtenue par une succession de couches de matériaux non organiques d'indices de réfraction différents. Les dépôts sont majoritairement obtenus sous vide, notamment par évaporation ou pulvérisation. De par la mise en oeuvre de matériaux non organiques, on obtient encore un faible taux de dégazage et une adaptabilité à la bande infrarouge à absorber, de par le choix du matériau et le nombre des couches. Cependant, le coût de réalisation est souvent élevé, et en outre, sa mise en oeuvre s'adapte mal aux formes complexes semi-fermées. Enfin, ce type de revêtement est très sensible aux contraintes thermomécaniques induites par les variations de températures et les différentiels de coefficient de dilatation support/revêtement. BREF EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention se situe dans le cadre de la mise en oeuvre de matériaux inorganiques, comme revêtements absorbant la bande de longueurs d'onde du 15 rayonnement infrarouge à détecter. A cet effet, elle vise un détecteur de rayonnement infrarouge comprenant : - un cryostat muni d'un doigt froid, apte à assurer l'échange thermique avec une source froide, et d'une fenêtre transparente au rayonnement infrarouge à détecter ; 20 - un plan froid fixé mécaniquement et en échange thermique avec le doigt froid ; - un bloc de détection comprenant au moins un circuit de détection sensible à la gamme de longueurs d'onde infrarouge à détecter et en échange thermique directement ou indirectement avec le plan froid ; - un écran froid ou diaphragme, fixé mécaniquement et en échange thermique avec le 25 plan froid, et apte à limiter les rayonnements parasites. Selon l'invention, l'écran froid ou diaphragme est constitué d'une paroi métallique, dont la face interne est revêtue d'une couche absorbante réalisée en un alliage à base de zirconium et de titane. En d'autres termes, l'invention consiste à munir la paroi interne de l'écran froid d'un matériau absorbant dans la gamme de longueurs d'onde infrarouge à détecter, donc constituée d'un matériau inorganique, notamment dans la gamme de longueurs d'onde comprise entre 0,8 µm et 16 µm. 35 Avantageusement, l'alliage de l'invention comporte un alliage zirconium/carbone ou fer/vanadium/zirconium. 30 Parallèlement, la paroi métallique de l'écran froid est réalisée en nickel ou en alliage à base de nickel, tel que par exemple FeNiCo ou NiCo. Elle peut également être réalisée en molybdène ou en alliage de molybdène. Avantageusement, le dépôt de la couche absorbante sur la face interne ou la paroi interne de l'écran est réalisé par électrodéposition. Ce faisant, on obtient un matériau offrant le maximum de porosités ouvertes présentant un grand nombre d'alvéoles, favorisant l'absorption du rayonnement infrarouge. On conçoit que de par la mise en oeuvre comme matériau absorbant d'un alliage à base de zirconium, donc inorganique, on minimise de manière significative le taux de dégazage, voire même on améliore le vide, dans la mesure où la surface recouverte par ce matériau supporte la température d'activation de l'alliage choisi, température d'activation typiquement supérieure ou égale à 350°C. En outre, le dépôt dudit matériau absorbant par électrolyse en phase liquide, autorise l'utilisation de supports de formes complexes, semi-fermées. Corolairement, un tel procédé permet de masquer des zones sur lesquelles le dépôt dudit matériau absorbant n'est pas nécessaire. En outre, en raison du choix du matériau absorbant mis en oeuvre, celui-ci peut supporter des températures proches de celles du frittage, c'est-à-dire typiquement une gamme de températures comprises entre 400 et 900°C, le rendant ainsi parfaitement adapté à une étape de pré-dégazage à haute température des pièces constituant le cryostat. Ce faisant, on accroît de manière significative la fiabilité du cryostat dans le temps par diminution du dégazage des constituants internes du cryostat. Au demeurant, le support de l'écran froid, comme déjà dit, typiquement en nickel ou en un alliage à base de nickel, est lui-même susceptible de subir une ou plusieurs étapes de préparation lui permettant de désorber une plus grande quantité de gaz avant son introduction dans le cryostat. Ce faisant, on prolonge la durée de vie intrinsèque du détecteur de manière substantielle, conduisant même à s'affranchir de toute étape de dégazage pendant la durée de vie même du détecteur. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif, à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une vue schématique d'un détecteur infrarouge, conforme à l'invention. Les figures 2 et 3 sont des courbes représentatives des capacités de réflexion de différents matériaux absorbants, selon l'art antérieur et selon l'invention, respectivement selon un angle d'incidence sur la paroi de l'écran froid de 30° et de 70°. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION On a donc schématiquement représenté, en relation avec la figure 1, un détecteur infrarouge quantique, c'est-à-dire appelé à fonctionner à basse température, d'un type en soi connu. Fondamentalement, celui-ci comporte un cryostat ou enceinte 1 dont le doigt froid 2 est relié à une source froide (non représentée), typiquement de l'hélium liquide ou de l'azote liquide. Ce cryostat est obturé en zone supérieure par une fenêtre 3 transparente au rayonnement infrarouge à détecter. A l'extrémité supérieure du doigt froid 2 du cryostat 1, est fixé mécaniquement un plan froid 4, par ailleurs en échange thermique avec le doigt froid 2. On a matérialisé par la référence 5 le bloc détecteur infrarouge, lui-même en échange thermique avec le plan froid 4. Ce bloc détecteur est typiquement constitué d'une pluralité de détecteurs élémentaires, associés à un circuit d'exploitation, propre à convertir les signaux émanant de ces détecteurs en signaux électriques exploitables. L'information en résultant est acheminée à l'extérieur du cryostat par des connexions, notamment filaires, non représentées afin de ne pas inutilement charger la figure. Est également rapporté sur ce plan froid 4, un écran froid ou diaphragme 6, comportant également une ouverture 7 située au regard de la fenêtre transparente 3, ménagée à l'extrémité supérieure du cryostat. 5 On a matérialisé sur ce schéma, d'une part, par une flèche sensiblement perpendiculaire au bloc de détection 5, le rayonnement infrarouge utile situé dans le champ de vision du détecteur, et d'autre part, par une flèche oblique venant se réfléchir sur la paroi latérale de l'écran froid 6 le rayonnement parasite hors champ de vision et dont on souhaite s'affranchir. A cet effet, l'invention préconise la mise en oeuvre d'un écran froid constitué d'une part, d'un support métallique réalisé à base d'alliage de nickel, type NiCo ou FeNiCo, typiquement d'une épaisseur comprise entre 80 et 250 micromètres, sur la face interne duquel, c'est-à-dire sur la paroi latérale interne définissant l'écran froid, on dépose par électrodéposition, une couche absorbante dudit rayonnement parasite, réalisée en un alliage à base de zirconium et de titane. L'électrodéposition est une technologie parfaitement maitrisée par l'homme du métier. Succinctement, elle comporte plusieurs étapes : un pré-lavage du support métallique, en soumettant ce dernier à une solution alcaline avec de l'eau désionisée, l'ensemble étant soumis à ultra-sons sous une température de l'ordre de 60 °C pendant 30 minutes ; un rinçage par de l'eau désionisée à température ambiante ; un dégazage dans un four ventilé à une température de l'ordre de 100 °C pendant deux heures ; une éventuelle étape de masquage des zones que l'on ne souhaite pas revêtir de l'alliage ; l'électrodéposition proprement dite dans un bain électrophorétique contenant ledit alliage, cette étape étant effectuée à température ambiante, et dont la durée dépend de l'épaisseur souhaitée, typiquement environ une minute ; un rinçage avec un solvant ; un séchage avec de l'air chaud pulsé ; une éventuelle étape d'enlèvement du masque, dans l'hypothèse où un tel masque a été mis en place ; et enfin, un frittage dans un four sous vide à environ 940 °C pendant 30 minutes. L'épaisseur typique de cette couche absorbante ainsi réalisée est de l'ordre de dix micromètres.35 Consécutivement à ce dépôt, on obtient une surface présentant un grand nombre de porosités ouvertes, définissant un nombre important d'alvéoles au niveau desquelles le rayonnement incident sur lesdites faces est absorbé. Typiquement, la taille de ces alvéoles est comprise entre 5 et 50 µm. Préalablement à la mise en place de l'écran froid ainsi revêtu au sein du cryostat, on soumet ce dernier à une étape de dégazage, typiquement à une température voisine de 350°C. Ce faisant, on diminue drastiquement le dégazage effectif de l'écran froid lorsqu'il est monté sur le cryostat au cours de la vie du détecteur, prolongeant significativement la durée de fonctionnement de celui-ci sans intervention. On a représenté, sur la figure 2, une courbe permettant de comparer la capacité de réflexion de différents matériaux absorbants sur un écran froid, selon un angle d'incidence de 30° par rapport à la normale à la face interne de l'écran, en fonction de la longueur d'onde incidente, respectivement : le matériau conforme à l'invention, une peinture polyuréthane chargée carbone (noir organique), et un noir inorganique à base d'aluminium et d'oxyde d'aluminium. En figure 3, on a représenté une courbe analogue, cette fois-ci pour un angle d'incidence de 70°, toujours par rapport à la normale à la face interne de l'écran. On relève ainsi que pour une incidence de 30°, le matériau absorbant de l'invention n'est pas plus performant que le noir organique ou que le noir inorganique. En revanche, on relève pour une incidence de 70°, c'est-à-dire des incidences plus rasantes, dont il est plus difficile de s'affranchir, le revêtement de l'invention s'avère aussi efficace que la peinture polyuréthane chargée carbone. On relève que pour cette même incidence de 70°, le revêtement noir inorganique est beaucoup moins efficace. On conçoit dés lors tout l'intérêt de la présente invention dans le cadre de la diminution du rayonnement parasite, permettant ainsi d'augmenter significativement le rapport signal utile sur bruit, notamment pour la détection de rayonnement infrarouge de faible amplitude ou intensité, pour lequel le signal utile est relativement faible. En outre, la technique de dépôt par électrodéposition permet, comme déjà dit, de traiter tout type de surface quelle que soit leur forme, de sorte que l'on peut conférer toute forme souhaitée à l'écran froid. 30 35 REVENDICATIONS1. Détecteur de rayonnement infrarouge comprenant : - un cryostat (1) muni d'un doigt froid (2), apte à assurer l'échange thermique avec une source froide, et d'une fenêtre (3) transparente au rayonnement infrarouge à détecter ; - un plan froid (4) fixé mécaniquement et en échange thermique avec le doigt froid (2) ; - un bloc de détection (5) comprenant au moins un circuit de détection sensible à la gamme de longueurs d'onde infrarouge à détecter et en échange thermique directement ou indirectement avec le plan froid ; - un écran froid ou diaphragme (6), fixé mécaniquement et en échange thermique avec le plan froid (4), et apte à limiter les rayonnements parasites ; caractérisé en ce que l'écran froid ou diaphragme (6) est constitué d'une paroi métallique, dont la face interne est revêtue d'une couche absorbante réalisée en un alliage à base de zirconium et de titane. 2. Détecteur de rayonnement infrarouge selon la revendication 1, caractérisé en ce que la base zirconium constitutive de l'alliage entrant dans la composition de la couche absorbante est un alliage zirconium/carbone ou fer/vanadium/zirconium. 3. Détecteur de rayonnement infrarouge selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la paroi métallique de l'écran froid est réalisée en nickel ou en alliage à base de nickel, notamment choisi dans le groupe comprenant FeNiCo et NiCo. 4. Détecteur de rayonnement infrarouge selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la paroi métallique de l'écran froid est réalisée en molybdène ou en alliage de molybdène. 5. Détecteur de rayonnement infrarouge selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dépôt de la couche absorbante sur la paroi interne de l'écran est réalisé par électrodéposition.30