DD217017A1 - Kryostat mit infrarotdetektor fuer pyro- oder spektrometer (i) - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kryostaten mit Infrarotdetektor, der bei Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur, z. B. bei 80 K, arbeitet, fuer Pyro- oder Spektrometer. Ziel der Erfindung ist es, die Dauer der Arbeitsbereitschaft eines Kryostaten aus Glas zu erhoehen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass bei einem Kryostaten in der Form eines Vakuumdewarsystems aus Glas der Kuehlmittelbehaelter und der aeussere Behaelter einen Glaskoerper mit einer Oeffnung fuer das Fenster und wenigstens einer Oeffnung fuer die elektrischen Zuleitungen bilden, die Aussenflaeche des Kuehlmittelbehaelters und die Innenflaeche des aeusseren Behaelters vollstaendig verspiegelt sind, Detektor und Gesichtsfeldblende auf einem Keramikplaettchen, das kleiner als die Fensteroeffnung ist, montiert sind, das Keramikplaettchen auf die Grundflaeche des Kuehlmittelbehaelters geklebt ist und die Oeffnungen bei bzw. nach der Montage des Fensters und der elektrischen Zuleitungen unter Verwendung eines Klebers verschlossen sind. Fig. 1

Description

Kryostat mit Infrarotdetektor für Pyro- oder Spektrometer (I) Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Kryostaten mit Infrarotdetektor, der bei Temperaturen unterhalb der" Raumtemperatur, z.B. bei 80 K, arbeitet, fur Pyro- oder Spektrometer.

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Es ist bekannt, daß bestimmte Infrarotdetektoren ihre hohe Detektivität nur bei tiefen Temperaturen erreichen. Sie werden darum gekühlt· unter anderem in Kryostaten, die als Vakuumdewarsystem ausgebildet sind. Das System besteht aus einem inneren, mit einem Kühlmittel, z.B. flüssigem Stickstoff, gefüllten Kühlmittelbehälter, der vakuumdicht von einem äußeren Behälter umschlossen wird. Der Kuhlmittelbehalter ist ein im wesentlichen zylindrischer Korper. Er steht senkrecht und hat oben einen Einfüllstutzen. Ihm gegenüber ist auf der Grundflache der Infrarotdetektor befestigt. Die Infrarotstrahlung fallt durch ein Fenster im äußeren Behälter und einer das Blickfeld begrenzenden, senkrecht zum Mittelstrahl angeordneten ebenen Ringblende ein. Am Detektor sind elektrische Zuleitungen angeschlossen und durch den äußeren Behälter nach außen geführt. Die Dauer der Arbeitsbereitschaft des Meßgeräts hängt von der Siededauer einer Kühlmittelfüllung ab. Letztere wird gefäßseitig von der Große des inneren Behälters und der Güte der Wärmeisolierung bestimmt. *

Ein großer Kühlmittelbehälter wird innerhalb der konstruktiv möglichen'Gesamtabmessungen des Geräts dadurch erreicht, daß der zur Verfugung stehende Durchmesser des inneren Behälters, von einem kurzen Einfüllstutzen abgesehen, über eine möglichst große Lange beibehalten wird« (S.z.B. Stahl,K. und Miosga, G.: Infrarottechnik· Hüthis-Verlag Heidelberg, 1980, S. 95)

Für eine gute Wärmeisolierung sind die A4frechterhaltung eines Vakuums unter o,6o1 Torr, der Behalterwerkstoff, vorzugsweise Glas, und die Verspiegelung der'zueinander liegenden Behälterwände mit einer Silberschicht sehr wesentlich. Auch die Kühlung der elektrischen Zuleitungen durch Befestigen an der Wand des Kühlmittelbehalters ist notwendig. Die technologische Realisierung dieser Mittel ist bisher nicht in jedem Punkt befriedigend gelöst, so daß die bekannten Maßnahmen zur Wärmeisolierung nicht immer voll wirksam werden können. Ein besonderes Problem ist dabei die Bedingung, daß der Infrarotdetektor wahrend der Montage nicht unzulässig stark erwärmt werden darf. : .

Das Montageproblem wird bei Metalldewars der Pa. SBRC (Santa Babara Research Center, California, Prospekt 1979) dadurch umgangen, daß der äußere Behälter aus zwei miteinander verschraubbaren Metallgefäßen besteht. Die Nachteile dieser Losung liegen in der schlechten Wärmeisolierung bzw. guten Wärmeleitfähigkeit des Metalls und vor allem aber darin, daß trotz guter Abdichtung das Vakuum nur wenige Wochen aufrechterhalten werden kann.

Die kleineren» handlicheren Glasdewars derselben Firma halten das Vakuum über einen langen Zeitraum. Der Kryostat wird aus zwei Glasteilen (Kühlmittel- und äußerer Behalter) zusammengesetzt. An den Randern der Berührungsstellen sind an die Glasteile dünne Metallzylinder angeschmolzen, die bei der Montage miteinander verlotet oder versehweißt werden. In diesem Bereich entsteht dann später ein Warmeeinbruch, zum einen durch die Wärmeleitfähigkeit des Metalls, zum anderen dadurch, daß infolge der Wärmeeinwirkung beim Verschließen die Verspiegelung beschädigt wird*

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Das direkte Verschmelzen der Glasteile mit einer Flamme erfordert, daß der Kryostat sehr lang ausgebildet werden muß, um den Infrarotdetektor vor Hitzeeinwirkung zu schützen. Außerdem wird auch in diesem Pail die Verspiegelung ganz erheblich beschädigt.

Die Zuleitungen werden bei einem Glasdewar an in die äußere Behälterwand eingeschmolzene Wolfram- oder Platindrahte an- . geschlossen und innen an dem Kühlmittelbehälter mittels Glasstutzpunkten gehalten. Bei einem Durchmesser des Kryostaten von 50 mm können maximal 4 Anschlüsse am Umfang verteilt werden. Die Drähte können nicht verdrillt und müssen im wesentlichen parallel zueinander geführt werden. Das ergibt insgesamt ungünstige Bedingungen für die elektrische Signalverarbeitung. Bei den Metalldewars ist dieses Problem unkomplizierter. ' ' ' ' '' . ^; :

In einigen Ausführungen ist in den Kühlmittelbehalter eine Tasche eingearbeitet. In ihr befindet sich ein Sorptionsmittel, das bei Kalte einige Moleküle der im Dewar verbliebenen Gase bindet, d. h. als Kryopumpe arbeitet. Die Tasche ist seitwärts am Kühlmittelbehalter angeordnet und reicht nach innen und unten in die Kühlflüssigkeit hinein. Ihre Öffnung ist gegen das Herausfallen der ca. 3 mm großen Kugelchen des für Luft typischen Sorptionsmittels, handelsübliches Molekularsieb 5A, mit Glaswolle verschlossen.

Der Detektor ist auf einer Metallfassung montiert und diese auf der Grundflache des Kühlmittelbehälters befestigt.

Die Gesichtsfeldblende ist als eine ebene Ringblende mit eiiem geschlitzten zylindrischen Ansatzstück aus Metall ausgeführt. Mit dem Ansatzstück wird sie auf den Kühlmittelbehälter geklemmt. Die Gesichtsfeldblende soll die auszumessende Objektflache exakt begrenzen und zugleich den Kühlmittelbehalter vor unnötiger Warmebelastung schützen. Hierzu sind ihre Außenflachen verspiegelt.

Ziel der Erfindung · · <

Ziel der Erfindung ist es, die Dauer der Arbeitsbereitschaft eines Kryostaten aus Glas pro Kühlmittelfullung zu erhohen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die Wärmeisolierung wirksamer, technologisch einfacher und ohne ungunstige Rückwirkung auf die Signalverarbeitung und das Gesichtsfeld zu gestalten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelost, daß bei einem Kryostaten in der Form₍eines Vakuumdewarsystems aus Glas der Kühlmittelbehalter und der äußere Behalter einen Glaskörper mit e^Lner Öffnung für das Fenster und wenigstens einer Öffnung für die elektrischen Zuleitungen bilden, die Außenflache des Kühlmittelbehälters und die Innenflache des äußeren-Behälters vollständig verspiegelt sind, die Tasche in der Bodenfläche des Kühlmittelbehälters angeordnet ist, Detektor und Gesichtsfeldblende auf einem Keramikplättchen, das kleiner als die Fensteröffnung ist, montiert sind, das Keramiklättchen auf die Grundfläche des Kühlmittelbehälters geklebt ist und dabei mit seinem Rand die Tasche teilweise verschließt, die Offnungen bei bzw, nach der Montage des Fensters und der elektrischen Zuleitungen unter Verwendung eines Klebers verschlossen sind und die Tasche mit Sorptionsmitteln gefüllt ist, die neben den Molekülen der Luft ebenfalls flüchtige Bestandteile des Klebers absorbieren. ^

Die Klebetechnik ermöglicht ein bis auf die Offnungen durchgängig aus Glas gestaltetes Vakuumdewarsystem, das innen vollständig verspiegelt ist. Der Detektor kann nach der Fertigstellung des Glasgefäßes durch die Fensteröffnung montiert werden. Es ist völlig ausgeschlossen, daß er während der Gefäßherstellung durch Wärme beschädigt werden kann.

Es sind vakuumdichte Kleber handelsüblich verfügbar, die eine für praktische Zwecke völlig ausreichende Lebensdauer des Va-

kuums garantieren, vorzugsweise sollte der Typ K 673 des VEB Carl Zeiss JENA eingesetzt werden.

Die Dichtheit wird durch die verdickte und plangeschliffene Ausfuhrung der Fensteröffnung und durch den Anschluß von Kapillaren an die Offnungen zur Durchfuhrung elektrischer Zulei*- -tungen erhöht. Eine eventuelle, geringfügige Gasabgabe des Klebers bei unvollständiger Aushärtung infolge unsachge- ι maßer Montage wird durch den Zusatz von25 bis 40 % Palladiumkontakt 7748 TR zum Molekularsieb 5A in der Tasche aufgenommen. Die Tasche kann bequem durch die Fensteröffnung gefüllt und gegen das Herausfallen der Sorptionskugelchen bei weiterem Gasdurchtritt verschlossen werden,

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Die Kapillaren für die elektrischen Zuleitungen werden vorzugsweise langgestreckt nach innen gezogen und federnd an den Kühlmittelbehalter gölegt. Durch eine derartige Kapillare können gleichzeitig mehrere Drahte geführt und verdrillt werden. Es entstehen dadurch günstige Bedingungen für die' Signalverarbeitung. Die Kapillaren sind ebenfalls verspiegelt.

Bei einer gegenüber bisher bekannten Ausführung bewußt abweichenden Form des KÜhlmittelbehalters, bei der die Lange des Einfüllstutzens etwa so groß wie die des zylindrischen Teils des KÜhlmittelbehalters ist, entstehen zum einen günstige Bedingungen für das federnde Anschmiegen der Glaskapillare, vor allem aber wird die Isolierung des KÜhlmittelbehalters wesentlich erhöht. Diese an sich vorausberechenbare Tatsache, daß ein langer Einfüllstutzen mit einem kleinen Querschnitt zugleich ein schlechter Wärmeleiter ist, wurde bisher in seiner Wirksamkeit offensichtlich unterschätzt. Es hat sich gezeigt, daß die erhöhte Isolierwirkung des verlängerten Einfüllstutzens die hierdurch konstruktiv bedingte Verkleinerung der Kühlflüssigkeitamenge hinsichtlich der Siededauer, nicht nur kompensiert, sondern unter den angegebenen Verhaltnissen und dem bei derartigen Geraten im allgemeinen zur Verfügung stehenden Raum sogar noch erhöht.

Die der Detektorgeometrie angepaßte Gesichtsfeldblende wird vorzugsweise nach außen gewölbt ausgeführt. Dadurch werden unerwünschte Objektstrahlen ausgeblendet. Das erhöht die Meßgenauigkeit und tragt zur Vergrößerung der Dauer der Arbeitsbereitschaft des Geräts bei. Die Wirkung wird durch wenigstens eine zweite, innen parallel zur ersten angeordnete Blende und durch das Auftragen von Schwarzschichten auf den Innenflachen der Gesichtsfeldblende erhöht.

Ausfuhrungsbeispiel <

In den zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Kryostaten,

Pig«, 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Stirnseite des Kryostaten nach Fig. 1,

Der Kryostat besteht aus einem Kühlmittelbehälter 1 und einem äußeren Behälter 2, Beide sind aus Glas gefertigt. Der Kühlmitte Ib ehält er 1 ist mit Kuhlflüssigkeit 3, flüssigem Stickstoff, gefüllt. Stirnseitig ist eine Tasche 4 eingearbeitet. Der Einfüllstutzen ist lang und schmal ausgeführt» erst auf einem im Verhältnis zu bisherigen Ausführungen relativ kurzen Teil hat der Kuhlmittelbehälter 1 seinen maximal möglichen Zylinderdurchmesser.. Der Infrarotdetektor 5 ist mit seinen elektrischen Zuleitungen 6 und einer Gesichtsfeldblende 7 auf einem Keramikplättchen 13 montiert Und dieses ist auf der Bodenfläche des Kühlmitte Ib ehält er ö· aufgeklebt, wobei mit seinem Rand ein Teil der Öffnung der Tasche verschlossen wird. Gegenüber der Gesichtsfeldblende ist im äußeren Behälter 2 stirnseitig ein IR-Strahlen durchlassendes Fenster 8 vakuumdicht aufgeklebt. Die elektrischen Zuleitungen 6 sind in einer Glaskapillare 9 durch die äußere Gehäusewand geführt. Die Glaskapillare schmiegt sich federnd an den zylindrischen Teil des Kühlmittelbehälters an. Sie ist außen mit einem vakuumdichten Kleber 10 verschlossen. Die Außenwand des Kühlmittelbehälters und die Innenwand des äußeren Behälters sind mit einer Silberschicht

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verspiegelt· Die IR-Strahlung fällt durch das Fenster 8 ein.

Als Kleber wurde der Typ KK, 673 des VEB Kombinat Carl Zeiss JENA eingesetzt. Eine\eventuelle geringfügige Gasabgabe des Klebers bei unvollständiger Aushärtung infolge unsachgemäßer Montage wird durch eine Mischung aus 70 % Molekularsieb 5 A und 30 % Palladiumkontakt 7748 TR in der Tasche 4 aufgenommen. Außerdem ist das Fenster 8 auf eine verdickt ausgeführte und danach geschliffene Frontflache 18 geklebt. Dadurch verbleibt nur ein kleiner Diffusionsspalt fur das Gas. Das Fenster ist im übrigen mit einer Spiegelschicht 14 und mit einer Spektralfilterschicht 15 überzogen_f so daß bevorzugt der zu messende kleine spektrale Anteil des gesamten Wärmestrahlungsspektrums das Fenster passieren kann. Die Schicht 1.5 absorbiert optische Störstrahlung (z. B. Sonnenlicht).

Die Gesichtsfeldblende 7 besteht aus zwei nach außen gewölbten kegelförmigen Ringblenden. Auf die erste äußere Ringblende ist eine hoqhglanzende Aluminiumschicht 16 aufgedampft. Alle Innenflachen sind mit einer Schwarze chich't 17 belegt. Gestaltung ; und Oberflaohenbesohichtung verhindern unerwünschte Mehrfachre» flexionen der Strahlung zwischen der Aluminiumschicht 16, der Spiegelschicht 14, der Silberschicht 11 und der·Spektralfilterschicht 15· Auch die inneren Reflexionen zwischen dem Detektor und der Blende sind ausgeschlossen.

Die Drahtdurchführung mit einer Kapillare 9 ermöglicht es,.. _; sowohl mehr als vier Leitungen an den Detektor anzuschließen als auch die Leitungen zu verdrillen.. Die Kapillare liegt federnd an dem Kühlmittelbehalter an. Die Leitung wird gekühlt, Mikrpphonieeffekte durch von außen verursachte Erschütterungen werden vermieden. Insgesamt entstehen gute Bedingungen für die Signalverarbeitung. ,

Claims (7)

1. . . - ' . . - 8 -

   Erfindungsanspruch

   1. Kryostat mit Infrarotdetektor in der Form eines Vakuumdewarsystems aus verspiegeltem Glas mit einem etwa senkrecht stehenden, zylindrischen Kühlmittelbehalter, der einen Einfüllstutzen hat, unten einen Detekor und eine Gesichtsfeldblende tragt sowie eine Tasche mit Sorptionsmitteln aufweist, einem äußeren Behalter, in dem gegenüber dem Detektor ein Infrarotstrahlen durchlassendes Fenster angeordnet ist, und elektrischen Zuleitungen zum Detektor durch den äußeren Behalter, gekennzeichnet dadurch, daß der Kühlmittel- und der äußere Behalter einen Glaskörper mit einer Öffnung für das Fenster und wenigstens einer Öffnung für die elektrischen Zuleitungen bilden, die Außenflache des Kühlmittel- und die Innenflache des äußeren Behalters vollständig verspiegelt sind,, die Tasche in der Bodenflache des Kühlmittelbehälters angeordnet ist, Detektor und Gesichtsfeidblende auf einem Keramikplattchen, das kleiner als die Fensteröffnung ist, montiert sind, das Keramikplättchen auf die Grundfläche des Kühlmittelbehälters gekebt ist und dabei mit seinem Rand die Tasche teilweise . verschließt, die Offnungen bei bzw. nach der Montage des Fenster und der elektrischen Zuleitungen unter Verwendung eines Klebers verschlossen sind und die Tasche mit Sorptionsmitteln gefüllt ist, die neben den Molekülen der Luft ebenfalls flüchtige Bestandteile des Klebers absorbieren.
2. 2. Kryostat nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Fensteröffnung verdickt ausgeführt und plangeschliffen ist.
3. 3. Kryostat nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß sich an die Öffnung für die elektrischen Zuleitungen nach innen eine langgestreckte verspiegelte Kapillare, die sich an den Kühlmittelbehälter federnd anschmiegt, anschließt und die äußere Kapillarenoffnung mit dem Kleber verschlossen ist.
4. 4. Kryostat nach den Punkten 1, 2 und 3» gekennzeichnet dä-

   . durch, daß der Kleber KK 673 des VEB Carl Zei'ss JENA eingesetzt wird.
5. 5. Kryostat nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die

   . Tasche mit einer Mischung von etwa 60 bis 75 % Molekular- ' sieb und 25 bis 40 % Palladiumkontakt gefüllt ist.

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6. 6. Kryostat nach dem Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die

   Lange des Einfüllatutzens im Verhältnis zu der des Kühlmittelbehälters etwa gleich groß ist.
7. 7. Kryostat nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die GesichtsfeldbleÄde nach außen kegelförmig gewölbt und innen wenigstens ein zweiter Ring angeordnet ist sowie die Innenflachen mit einer Schwarzschicht bedeckt sind.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen