ПРИЕМНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемая полезная модель относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения теплового излучения, в частности, к охлаждаемым полупроводниковым приемникам инфракрасного (ИК) излучения.
Известен приемник ИК излучения, содержащий установленный в корпусе закрепленный в оправе вакуумированный сосуд Дьюара, снабженный входными окнами, напротив которых на охлаждаемом держателе расположен кристалл с фоточувствительными элементами (ФЧЭ) и диафрагму, а герметичная полость, образованная держателем, сосудом Дьюара и оправой, заполнена осушенным газом (см. свид. на полезную модель РФ №14666, МКИ 7 G 01 J 5/02, 2000 г.). Такая конструкция имеет значительное время выхода на режим при охлаждении до рабочей температуры ~77 К, обусловленное конвективным теплопереносом внутри заполненной газом полости, за счет которого происходит непреднамеренное охлаждение внутренней стенки сосуда Дьюара, то есть фактическое увеличение охлаждаемой массы.
Известен приемник ИК излучения, содержащий закрепленный в оправе и снабженный внешним и внутренним входными окнами вакуумированный сосуд Дьюара, внутри которого установлен охлаждаемый держатель с расположенными на нем кристаллом с фоточувствительными элементами, причем полость вокруг держателя заполнена теплоизоляционным материалом, а диафрагма установлена между внешним и внутренним входнымии окнами сосуда Дьюара (см. пат. на изобретение РФ №2194254, МКИ 7 G 01 J 5/02, 2002 г.). В данной конструкции уменьшены охлаждаемая масса и теплопритоки за счет вывода охлаждаемой диафрагмы в вакуумную полость и введения
теплоизоляционного материала, однако имеется сложность и высокая трудоемкость при изготовлении приемника.
Известен наиболее близкий по технической сущности к обоим вариантам предлагаемых конструкций приемника ИК излучения, содержащий установленный в корпусе и герметично закрепленный в оправе снабженный входными окнами сосуд Дьюара, в полости которого, заполненной осушенным газом, расположены охлаждаемый держатель с размещенным на нем кристаллом с фоточувствительными элементами и диафрагмой, причем вокруг держателя расположены теплоизоляционный материал. От кристалла с ФЧЭ к внешнему блоку обработки сигнала проведены прилегающие к держателю электрические выводы (см. КД БЖАИ.433426.005 Фотоприемник матричный. ЗАО "Матричные технологии", 2002 г.). Однако при этом так же велики охлаждаемая масса и теплопритоки, которые возникают за счет конвекционного переноса внутри заполненной инертным газом полости в сосуде Дьюара и теплоемкости электрических выводов, что приводит к увеличению времени выхода прибора на рабочий температурный режим.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является уменьшение времени выхода прибора на требуемый температурный режим.
Указанный технический результат в первом варианте предлагаемого устройства достигается тем, что в приемнике ИК излучения, содержащем установленный в корпусе и герметично закрепленный в оправе снабженный входными окнами сосуд Дьюара, в полости которого, заполненной осушенным газом, расположены охлаждаемый держатель с размещенным на нем кристаллом с фоточувствительными элементами, причем вокруг держателя расположен теплоизоляционный материал, установлена диафрагма, выполненная из теплоизоляционного материала в виде цилиндрической втулки, прилегающей к внутренней стенке сосуда Дьюара.
Указанный технический результат во втором варианте предлагаемого устройства достигается тем, что в приемнике ИК излучения, содержащем установленный в корпусе и герметично закрепленный в оправе снабженный входными окнами сосуд Дьюара, в полости которого, заполненной осушенным газом, расположены охлаждаемый держатель с размещенным на нем кристаллом с фоточувствительными элементами, снабженными электрическими выводами, установлена диафрагма, выполненная из теплоизоляционного материала в виде прилегающей к внутренней стенке сосуда Дьюара цилиндрической втулки, на которой с зазором от входного окна закреплена пластина оптического фильтра, а вокруг держателя расположены два слоя теплоизоляционного материала, один из которых прилегает к держателю, другой - к внутренней стенке сосуда Дьюара, а между ними пропущены электрические выводы.
Новым в первом варианте приемника является то, что диафрагма выполнена в виде цилиндрической втулки из теплоизоляционного материала, прилегающей к внутренней стенке сосуда Дьюара.
Новым во втором варианте приемника является то, что диафрагма выполнена из теплоизоляционного материала в виде прилегающей к внутренней стенке сосуда Дьюара цилиндрической втулки, на которой с зазором от входного окна закреплена пластина оптического фильтра, а теплоизоляционный материал вокруг держателя выполнен в два слоя, один из которых прилегает к держателю, другой - к внутренней стенке сосуда Дьюара, причем между ними пропущены электрические выводы.
При использовании в качестве диафрагмы втулки из теплоизоляционного материала произойдет дополнительное снижение теплопритока к охлаждаемым элементам и фактическое уменьшение охлаждаемой массы, так как в этом случае они будут обусловлены не конвективным теплопереносом, а теплопроводностью системы осушенный газ - теплоизоляционный материал, которая определяется в основном теплопроводностью осушенного газа. Поэтому будет получен дополнительный выигрыш
во времени выхода на требуемый температурный режим. При этом роль охлаждаемой диафрагмы будет выполнять внутренняя поверхность втулки, температура которой всегда равна температуре охлаждаемого газа.
Выполнение диафрагмы в виде втулки из теплоизоляционного материала, прилегающего к внутренней стенке сосуда Дьюара уменьшает конвективный теплоперенос, имеющий место в газонаполненной полости от стенок сосуда Дьюара к охлаждаемым держателю и кристаллу, кроме того, по сравнению с прототипом, в котором диафрагма установлена на охлаждаемом держателе и изготовлена из теплопроводного материала, практически исключается часть охлаждаемой массы, обусловленной конвективным теплопереносом. Наличие пластины оптического фильтра, установленной на диафрагме с зазором от входного окна, так же является изолятором конвективных теплопритоков от входного окна, что дополнительно уменьшает тепловые потери. Выполнение теплоизоляционного материала вокруг держателя в два слоя, один из которых прилегает к охлаждаемому держателю, другой - к внутренней стенке сосуда Дьюара и размещение между ними электрических выводов позволяет так же уменьшить теплоприток из-за тепловой изоляции выводов от охлаждаемого держателя.
При этом уменьшаются суммарная охлаждаемая масса и теплопритоки, нагрузка на охлаждающую систему и, в конечном счете, время выхода на заданный температурный режим.
Сущность полезной модели поясняется чертежами: на фиг.1 и 2 показаны 1-ый и 2-ой варианты предлагаемого устройства соответственно.
В первом варианте исполнения приемник инфракрасного излучения содержит установленный в корпусе 1 и герметично закрепленный в оправе 2 сосуд Дьюара 3, снабженный входными окнами 4. В полости сосуда Дьюара 3, заполненной осушенным газом, расположены охлаждаемый держатель 5 с размещенным на нем кристаллом 6 с фоточувствительными элементами. К внутренней стенке сосуда Дьюара на уровне от кристалла 6 с ФЧЭ до входного окна 4 прилегает диафрагма 7, выполненная в виде
втулки из теплоизоляционного материала. От держателя 5 до внутренней стенки сосуда Дьара расположен теплоизоляционный материал 8.
Во втором варианте исполнения приемник инфракрасного излучения содержит установленный в корпусе 1 и герметично закрепленный в оправе 2 сосуд Дьюара 3, снабженный входными окнами 4. В полости сосуда Дьюара 3, заполненной осушенным газом, расположены охлаждаемый держатель 5 с размещенным на нем кристаллом 6 с фоточувствительными элементами, снабженные электрическими выводами 9. К внутренней стенке сосуда Дьюара на уровне от кристалла 6 с ФЧЭ до входного окна 4 прилегает диафрагма 7, выполненная в виде втулки из теплоизоляционного материала. К внутренней поверхности втулки 7 с зазором от входного окна прикреплена пластина оптического фильтра 10. Вокруг держателя 5 расположены два слоя теплоизоляционного материала 8, один из которых прилегает к держателю, другой - к внутренней стенке сосуда Дьюара, а между ними пропущены электрические выводы 9.
В качестве теплоизоляционного материала может быть использован, например, теплозащитный материал космический (ТЗМК-10) ТУ-596-117-86, который изготавливается на основе кварцевого волокна, и имеет низкую теплопроводность - 0,05 Вт/мк, высокую пористость (~95%) и коэффициент серости в инфракрасном диапазоне длин волн не менее 0,98.
В процессе работы прибора происходит охлаждение кристалла до криогенных температур. В предложенных конструкциях уменьшены теплоемкость охлаждаемой диафрагмы, практически теплоизолирована внутренняя поверхность сосуда Дьюара, существенно снижены теплопритоки через электрические выводы, и, соответственно, уменьшены суммарный теплоприток и охлаждаемая масса прибора. Это позволяет снизить нагрузку на систему охлаждения и уменьшить время выхода прибора на рабочий температурный режим.
Предложенная конструкция разработана для приемников ИК излучения с матрицами ФЧЭ из силицида платины. Стеклянный сосуд Дьюара с сапфировыми окнами герметично приварен к металлической оправе, которая также герметично присоединена к держателю. На охлаждаемом держателе цилиндрической формы установлен кристалл с матрицей ФЧЭ, диафрагма закреплена на внутренней стенке сосуда Дьюара при помощи клея и изготовлена из материала ТЗМК в виде цилиндрической втулки с внутренним 14 мм и внешним 16,5 мм диаметрами. Во втором варианте исполнения внутреннее отверстие втулки выполнено ступенчатым и на длине 0,5 мм от входного окна имеет диаметр 15 мм, а на образовавшуюся ступеньку установлена пластина оптического фильтра из германия толщиной 0,3 мм, при этом зазор от входного окна составляет 0,2 мм. Полость сосуда Дьюара заполнена осушенным азотом, а вокруг держателя расположен теплоизоляционный материал марки ТЗМК, разделенный во втором варианте исполнения на два слоя, между которыми пропущены электрические выводы, идущие от кристалла с ФЧЭ к внешнему блоку обработки сигнала.
Разработанная конструкция позволила уменьшить теплопритоки приемника излучения в 2 раза с 0,5 Вт до 0,25 Вт, суммарную охлаждаемую массу на 40% с 10 г до 6 г, время выхода на температурный режим ~77 К на 4 мин (~60%).