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Feld der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Infrarot-(IR)-Detektoren, die dadurch
gekennzeichnet sind, dass sie eine kompakte Größe und verbesserte Kühleffizienz
besitzen.
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Hintergrund der Erfindung
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Infrarotstrahlungs-Detektorvorrichtungen weisen
gewöhnlich
ein Gehäuse,
ein elektronisches IR-sensitives Detektorbauteil, nachstehend Detektorelement
genannt, und ein optisches Fenster, wie z. B. eine Linse oder eine
Infrarot-Übertragungseinrichtung
auf. Darüber
hinaus besitzen diese Vorrichtungen einen Cryogenic-Kühler. Mit
dem Ausdruck „Cryogenic-Kühler" ist darin eine Vorrichtung
gemeint, die die Kühlung
durch einen direkten Joule-Thomson-Effekt herbeiführt. Das
in dieser Vorrichtung verwendete Fluid kann Cryogenic-Fluid bezeichnet
werden. Wie bekannt ist, basiert der direkte Joule-Thomson-Effekt
auf der adiabatischen Expansion eines Gases unterhalb einer charakteristischen
Temperatur, bekannt als die Inversionstemperatur, was die Kühlung des
Volumens bewirkt, in das die Expansion des Gases stattfindet, während der
umgekehrte Joule-Thomson-Effekt die adiabatische Expansion eines
Gases oberhalb seiner Inversionstemperatur bewirkt, wobei sich die
Umgebung erwärmt.
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USP
4,474,036 beschreibt einen IR-Detektor, der eine Ummantelung in
Form eines Dewars aufweist, in dem ein Vakuum-Raum zwischen einer äußeren Wand und einem inneren
Element vorhanden ist, der durch eine Kühl-Komponente gekühlt wird,
die auf dem Joule-Thomson-Effekt basieren kann.
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Bei
IR-Detektoren des Standes der Technik kann jedoch das Volumen nicht
die gewünscht
reduziert werden. Der Abstand vom optischen Fenster zur Detektorelement
ist, basierend auf dem optischen Aufbau, fixiert und das Kühlelement
muss eine bestimmte Länge
aufweisen, um eine effektive Vorkühlung zu erlauben. In manchen
Anwendungen ist die Größe des gesamten
IR-Detektors von äußerster Wichtigkeit.
Insbesondere ist die kompakte Größe des Detektors
bei Raketenköpfen
von höchster
Wichtigkeit. Auf Grund des Aufbaus des Raketenkopfs ist der, der
Detektorvorrichtung zugeteilte Raum ziemlich begrenzt und deshalb
ist es wichtig, einen Detektor mit kompakter Größe vorzusehen. Darüber hinaus
verursacht der Flug der Rakete erhebliche Vibrationen des Detektors,
was die Leistung des Detektors behindert. Eine kompakte Größe der Detektorvorrichtung
zielt darauf ab, eine zusätzliche
Steifigkeit der Baugruppe bereitzustellen und somit die Vibrationen des
Detektors zu verringern und seine Leistung zu verbessern. Daher
wurden Anstrengungen unternommen um Detektoren mit kompakter Größe zu entwickeln
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IL
81534 beschreibt einen IR-Detektor mit einem Joule-Thomson-Kühler, der ein Gehäuse, Infrarot-Übertragungseinrichtungen
an seiner Vorderseite und ein Joule-Thomson-Kühlelement aufweist, das um
eine konischen Kern gewickelt und in einem Vorkühlmantel eingeschlossen ist,
dessen Kern eine der Oberflächen
bildet. Das Kühlelement
besteht aus einer gewundenen Konfiguration, wobei der Einlass an eine
Druckgasquelle angeschlossen ist und der Auslass, der mit einer
Expansionsdüse
ausgerüstet
ist, sich in der Nähe
des Detektorelements befindet. Der Vorkühlmantel bewirkt eine Kühlung des
Cryogenic-Gases, während
es durch das Rohr fließt.
Dadurch erreicht das, sich durch die Düse ausdehnende, Gas eine niedrigere
Temperatur und bewirkt eine effektivere Kühlung des Detektors.
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Die
Spiral-Anordnung des Kühlerrohrs
ist zwingend erforderlich, um den gewünschten Vorkühl-Effekt
zu erreichen. Trotz der spiralförmigen
Anordnung, die für
das Erreichen des gewünschten
Vorkühl-Effekts
notwendig ist, besitzt jedoch die Detektorvorrichtung des Standes
der Technik ein relativ großes
Volumen.
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Es
ist eine Absicht der vorliegenden Erfindung, einen Infrarotstrahlungsdetektor,
der ein Rohr aufweist, durch das ein Gas fließt, nachstehend „ Kühlerrohr" genannt, mit einer
ausreichenden Länge vorzusehen,
um so den gewünschten
Vorkühl-Effekt zu erreichen,
wobei das Volumen dieser Vorrichtung kleiner als das von vergleichbaren
Vorrichtungen des Standes der Technik ist.
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Eine
weitere Absicht dieser Erfindung ist es, eine kompakte Infrarotstrahlungsdetektorvorrichtung mit
einem effizienten Wärme-Austausch
zwischen dem Kühlerrohr
und dem Gasdurchfluss vorzusehen.
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Es
ist eine weitere Absicht, so eine Vorrichtung mit einem steifen
Aufbau vorzusehen, der die Detektor-Verschiebungsamplitude verringert.
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Eine
noch weiter gehende Absicht ist es, eine solche Vorrichtung vorzusehen,
in der der Ausstoß-Rückdruck
des Kühlflüssigkeitsaustritts
verringert wird, um so die Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit zu verringern.
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Eine
noch weiter gehende Absicht besteht darin, in einer solchen Vorrichtung
ein ausreichendes Volumen für
selbst geregelte Durchfluss-Mini-Kühlsysteme vorzusehen.
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Weitere
Absichten und Vorteile der Erfindung werden mit fortschreitender
Beschreibung verständlich.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
IR-Detektorvorrichtung gemäß der Erfindung
weist auf:
- a) ein Gehäuse das ein optisches Fenster
zur Strahlungsaufnahme besitzt;
- b) ein Kälteschild
mit einem darin angebrachten Detektor und einem zwischen dem optischen Fenster
und dem Detektor angebrachten Filter;
- c) ein Kühlerrohr
in gewundener Konfiguration, das einen Einlass besitzt, der mit
einer Druckgasquelle verbunden ist und eine Expansionsdüse, die
sich in der Nähe
des Detektors befindet, aufweist;
- d) einen Vorkühlmantel,
der das Kühlerrohr
umschließt
und einen Gasdurchfluß-Einlass
in der Nähe
des Detektors und eine Gasentladungsöffnung nach außen besitzt;
- e) das Kühlerrohr,
das einen ersten Abschnitt, der am Einlass beginnt, einen zweiten
Abschnitt, der an der Expansionsdüse endet und einen Verbindungsabschnitt
zwischen den ersten und zweiten Abschnitten, aufweist;
- f) den Vorkühlmantel,
die einen ersten Abschnitt, der den ersten Abschnitt des Rohrs aufnimmt,
einen zweiten Abschnitt, der den zweiten Abschnitt des Rohrs aufnimmt
und einen Verbindungsabschnitt zwischen den ersten und zweiten Abschnitten,
aufweist;
- g) den ersten Abschnitt des Mantels, der einen inneren Raum
eingrenzt, der den zweiten Abschnitt des Mantels umschließt, wodurch
der zweite Abschnitt des Kühlerrohrs,
der im zweiten Abschnitt des Mantels enthalten ist, ebenfalls vollständig im inneren
Raum enthalten ist, der vom ersten Abschnitt des Mantels definiert
wird und nicht zum Gesamtvolumen der Detektorvorrichtung beiträgt.
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Unter „optischem
Fenster" wird in
dieser Beschreibung und den Ansprüchen jedes Bauteil verstanden,
das es sichtbarer oder IR-Strahlung erlaubt, hindurch zu gehen,
wie z. B. eine Linse oder irgendwelche IR-Übertragungseinrichtungen.
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Vorzugsweise
erstreckt sich der Kälteschild in
den inneren Raum, der durch den ersten Abschnitt des Vorkühlmantels
eingegrenzt wird. Der erste Abschnitt des Vorkühlmantels ist ausgebildet,
um diesen Zweck zu erfüllen
und verjüngt
sich deshalb von seinem Verbindungsabschnitt mit dem zweiten Anschnitt
des Vorkühlmantels.
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Ebenso
sind vorzugsweise Einrichtungen vorgesehen, um ein Vakuum im Raum,
der durch das Gehäuse
eingegrenzt wird und den Vorkühlmantel und
den Kälteschild
umschließt,
zu erzeugen und aufrecht zu erhalten.
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Die
Expansion des durch die Düse
zum Rohr zugeführten
Gases bewirkt eine schnelle Kühlung des
Raums, in den sich das Gas ausdehnt sowie der Oberflächen des
Raumes. Nach dem sich das Gas so ausgedehnt hat, fließt es durch
den Vorkühlmantel und
unter Wärmeaustausch-Kontakt
zu einem Auslass an der Vorderseite der Vorrichtung in der Nähe der Strahlungs-Übertragungseinrichtungen. Der Wärmeaustausch-Kontakt
führt zu
einer Vorkühlung des
in das Rohr eintretenden Gases.
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Der
Detektor ist an einem Ende des Kälteschilds
in der Nähe
der Auslass-Düse
des Kühlerrohrs
angebracht. Der weist eine Matrix von IR-Strahlungsdetektorelementen
und einen elektrischen Schaltkreis zum Empfangen, Verarbeiten und Übertragen
der durch die Elemente erzeugten Signale auf. Vorzugsweise wird
ein Filter an der Oberseite des Kälteschilds und es Detektors
vorgesehen, um Strahlung auszufiltern, die nicht im Empfindlichkeitsbereich
der Detektorelemente liegt und hinsichtlich der IR-Detektion als
Störstrahlung
betrachtet werden kann. Diese Bauteile sind per se Teil des Standes
der Technik und müssen
nicht besonders beschrieben werden.
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Jedoch
sind vorzugsweise die Verbindungseinrichtungen, die die elektrische
Schaltung nach draußen
verbinden, auf der äußeren Oberfläche des Kälteschilds
angebracht und führen
vom Ende des Kälteschilds
auf dem der Detektor angebracht ist zu dessen Ende, auf dem der
Filter angebracht ist und sind elektrisch mit einem Verbindungsbauteil
verbunden, dass sich nahe an der Höhe des optischen Fensters befindet,
durch das die elektrischen Signale aus der Vorrichtung heraus fließen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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in
der Zeichnung ist:
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1 ein
axialer Querschnitt einer IR-Detektorvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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2 ein
Querschnitt der Vorrichtung, aufgenommen aus der Ebene II-II von 1,
in Pfeilrichtung gesehen.
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Detaillierte
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen Eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nur beispielhaft mit Bezug auf die
Zeichnung 1 und 2 beschrieben. Klarheitshalber
liegen die Figuren in vergrößerten Maßstab vor.
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Die
IR-Detektorvorrichtung dieser Ausführungsform weist einen sich
aufwärts
verjüngenden Kälteschild 10,
der in dieser Ausführungsform
einen untersten und obersten zylindrischen Abschnitt und einen Zwischen-Kegelstumpf-Abschnitt
besitzt und der vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material 11 mit
einer hohen thermischen Leitfähigkeit hergestellt
ist. Ein Kälteschild 10 trägt an seinem breiteren
Ende ein keramisches Bett 12 und an seinem schmäleren Ende
einen optischen Filter 14, der als Schutzfläche gegen
Störstrahlung
wirkt. Seine innere Oberfläche
ist mit einem Material mit hohem Emissionsvermögen beschichtet, das durch
die gestrichelte Linie in 1, bezeichnet
mit Nummer 9, dargestellt ist, das als Reflexionsstrahlungs-Schutz dient
und elektrische Anschlüsse,
die ein niedriges Emissionsvermögen
(wie z. B. Gold) aufweisen, sind auf seine äußere Oberfläche, wie schematisch durch gestrichelte
Linien 17 angedeutet, aufgedruckt. Auf dem keramischen
Bett 12 ist ein Detektor 13 angebracht, der aus
einer zweidimensionalen Matrix von Detektorelementen besteht. Den
Filter 14 passiert IR-Strahlung,
die im Empfindlichkeits-Bereich liegt, der schwanken kann und z.
B. im Bereich von 3–5 μm oder 8–12 μm liegen
kann. Das Kälteschild 10 ist
im Inneren eines Gehäuses,
das generell mit 15 bezeichnet ist, angebracht, in dem
ebenfalls die nachfolgend beschriebene Kühlvorrichtung angebracht ist.
Ein optisches Fenster 16 ist auf einem Fenstergehäuse 18 gegenüber dem
Filter 14 angebracht.
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Die
Kühlvorrichtung
arbeitet nach dem Joule-Thomson-Effekt. Ein vorzugsweise geripptes Kühlerrohr,
das in einer Spiral-Konfiguration
gewunden ist, weist zwei seriell verbundene Rohrabschnitte 20a und 20b auf.
Abschnitt 20 ist in einem Vorkühlmantel-Abschnitt 21 enthalten,
der durch eine äußere Wand 21b und
eine innere Wand 21a ausgebildet ist, die sich von der
Mitte des unteren Endes der Vorrichtung zu seiner Achse hin verjüngen und
in dieser Ausführungsform
obere zylindrische Wände,
gefolgt von kegelstumpfförmigen
Wänden
aufweisen. Das untere Ende der Vorrichtung wird in dieser Beschreibung
als das dem optischen Fenster 16 entgegen gesetzte Ende
betrachtet. Abschnitt 20b des Kühlerrohrs ist in einem Vorkühlmantel-Bereich 22 enthalten,
der durch eine äußere Wand 22a und
eine innere Wand 22b ausgebildet ist, die im Raum, der
durch die innere Wand 21a begrenzt wird, umschlossen sind und
die in dieser Ausführungsform
zylindrisch sind. Alle Wände
werden durch Metallplatten begrenzt. Eine Wand 22a wird
vervollständigt
durch einen Deckel 29 und eine Bodenplatte 23a und
eine Wand 22b durch einen Deckel 24. Rohrbereiche 20a und 20b sind über ein
Rohr-Segment 26 verbunden. Die Rohrbereiche 20a und 20b besitzen
einen Gaseinlass bei Nr. 27 und eine Expansionsdüse 32,
die das Gas in den Raum 33, der durch die Platten 29 und 24 begrenzt
wird, abführt.
Der zweite Mantel 22 besitzt einen Einlass am Raum 33 und
einen Abfluss-Auslass in den ersten Mantel bei Nr. 34.
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Die
innere Wand 21a, die äußere Wand 22a, die
Platten 29 und 23a, das optische Fenster 16 und sein
Gehäuse 18,
das den oberen Teil des Gehäuses 15 bildet,
begrenzen einen ersten Dewar-Raum 30, in dem ein Vakuum,
durch eine geeignete Mündung
wie z. B. 31 und Vakuum-Einrichtungen, die nicht dargestellt
wurden, erzeugt wird. Die innere Oberfläche des Gehäuses 15, die äußere Oberfläche der
Wand 21b und Platte 23 begrenzen einen zweiten
Dewar-Raum 35, in dem ein Vakuum durch ähnliche Einrichtungen erzeugt
wird. Ein Vakuum-Mantel oder andere Dämm-Vorrichtungen sehen eine
thermische Dämmung
der Dewar-Räume gegenüber der
Umgebung vor.
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Das
Gas wird vorzugsweise aus Luft, Stickstoff, Argon, Krypton oder
Mischungen daraus gewählt.
Das Gas, das unter einem Druck von z. B. 150 bis 1000 atm steht,
wird über
den Einlass 27 zum Rohrabschnitt 20a geleitet
und fließt
hindurch, bis es die Düse 32 erreicht,
dehnt sich in den Raum 33 aus und kühlt die keramische Platte 12 und
somit den Detektor 13. Aus dem Raum 33 tritt das
Gas in den zweiten Abschnitt 22 des Vorkühlmantels
ein, fließt
unter Wärmeaustausch-Kontakt
mit Rohrabschnitt 20b hindurch; dann tritt das Gas durch
den Raum 34, der durch die Platten 23 und 23a begrenzt
wird, in den ersten Abschnitt 21 des Vorkühlmantels
ein, fließt
unter Wärmeaustausch-Kontakt
mit Rohrabschnitt 20a hindurch und wird schließlich durch
die Öffnung 28 abgeführt. Somit
wird das Kühlgas,
das durch die Rohrspiralen fließt,
vorgekühlt,
bevor es sich durch die Joule-Thomson-Düse ausdehnt. Mit Hinblick auf die
beträchtliche
Länge der
Rohrspiralen 20a und 20b, die durch den Aufbau
der Erfindung zur Aufrechterhaltung eines geringen Volumens der
Kühlvorrichtung
vorgesehen sind und der Vermeidung von Wärmeverlusten, die durch die
Vakuumräume, die
die Wärmeaustausch-Mäntel und
andere Teile der Vorrichtung umgeben, vorgesehen sind, wird eine
effizientere Kühlung
erreicht.
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Die
IR-Detektorvorrichtung ist mit einem elektrischen Schaltkreis (nicht
gezeigt) versehen, der die durch die Detektorelemente erzeugten
Signale empfängt,
verarbeitet und weiterleitet. Die Signale von dem Schaltkreis werden
durch die vorgenannten Anschlüsse 17,
die sich vom Boden des Kälteschilds d.
h. der Höhe
des Detektors 13 bis zur Oberseite des Kälteschilds
d. h. der Höhe
des Filters erstrecken, der Detektorvorrichtung nach außen übertragen.
Sie sind mit der Außenseite über getrennte
Drähte,
bezeichnet mit 36, die an eine keramische Durchkontaktierungs-Einheit
geklebt sind, verbunden. Eine flexible oder steife PCB wird dann
benutzt, um die Signale von der keramischen Durchkontaktierungs-Einheit zum äußeren Abschnitt
der Elektronik zu übertragen. Die
flexible PCB wird vorzugsweise auf ein Sheet von isoliertem flexiblem
Material, wie z. B. KEPTON, gedruckt. Die steife PCB wird vorzugsweise
auf ein steifes, isoliertes Material wie z. B. Epoxydharz gedruckt.
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Es
ist ersichtlich, dass die Erfindung eine IR-Detektorvorrichtung mit verringerter
Größe vorsieht,
dank der Tatsache, dass die Joule-Thomson-Minikühler-Bauteile – die Kühlspirale
und sein Vorkühlmantel
sozusagen auf sich selbst zurückgebogen
wurden. Der Vorkühlmantel
weist zwei, seriell verbundene Abschitte auf, die zwei korrespondierende,
seriell verbundene Spiralrohr-Abschnitte beinhalten, wobei einer
der Vorkühlmantel-Abschnitte,
der innere Abschnitt, im durch den anderen, äußeren Abschnitt eingegrenzten
Raum enthalten ist und somit nicht zum Gesamtvolumen der Detektorvorrichtung beiträgt. Für eine weitere
Verringerung des Raums erstreckt sich vorzugsweise ein Bereich des
Kälteschilds
in diesen Raum, wobei der äußere Vorkühlmantel-Abschnitt
so ausgebildet ist, dass er den Kälteschild-Bereich aufnehmen
kann. Die sich so ergebende kompakte IR-Detektor-Baugruppe ist stabil und
steif. Diese Eigenschaften und sein verringertes Volumen machen
es besonders geeignet, wenn beabsichtigt wird, die Detektor-Baugruppe in Flugobjekten,
wie z. B. Raketen, einzusetzen.
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Die
Tatsache dass die elektrische Verbindung nach außen über ein Bauteil, das ein Teil
des Gehäuses
oder nahe am optischen Fenster von diesem befestigt ist, erreicht
wird, ist eine weitere wertvolle Eigenschaft einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung.
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Die
Tatsache, dass die Leitungsführung 17 auf
der Außenseite
des Kälteschilds
ausgebildet ist und die Vorrichtung in der Nähe des optischen Fensters verlässt, trägt zu den
kompakten Gesamtabmessungen der Vorrichtung und besonders seines äußeren Durchmessers
bei.
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Die
nachfolgenden Daten werden beispielhaft und nicht einschränkend vorgegeben.
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Die
Gesamtabmessungen der Vorrichtung gemäß der Erfindung hängen von
der Größe der Matrix-Bereiche
der Detektorelemente ab. Die folgenden Beispiele können vorgegeben
werden: für
eine 64×64-Matrix,
eine Länge
von 28 mm, einen äußeren Durchmesser
von 20 mm, und eine Länge
des Spiral-Kühlerrohrs
von 900 mm; für
eine 320×256-Matrix,
eine Länge
von 45 mm, einen äußeren Durchmesser
von 27 mm und eine Länge
des Spiral-Kühlerrohrs
von 1500 mm. Die Wanddicke der Vorkühlmäntel kann z. B. 0,07 mm betragen
und der des Spiral-Kühlerrohrs
kann z. B. 0,075 mm betragen. Geeignete Materialien für das Spiral-Kühlerrohr
und das Gehäuse
sind z. B. Stahl, Kupfer und Nickel. Das Kälteschild wird vorzugsweise
aus elektrisch isolierendem Material, das eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist,
z. B. einem keramischen Material, hergestellt.
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Das
Joule-Thomson-Kühlsystem,
das Teil des IR-Detektors der Erfindung ist, kann aus einem der
folgenden Typen bestehen: ungeregelter freier Durchfluss; selbst
geregelter Bedarfsfluss; temperaturgesteuerter/-geregelter Bedarfsfluss
der Focal Plane Array (FPA), die ihre Anzeige verwendet, um den
Durchfluss mit Hilfe eines mechanischen Regulierungs-Mechanismus zu steuern/zu
regeln. Der Bedarfsfluss-Selbstregulierungs-Typ
benötigt üblicherweise
ein Zusatzvolumen in der Nähe
der Expansionsdüse
für das
Selbstregulierungs-System. Das Joule-Thomson-Kühlsystem, das Teil des IR-Detektors
dieser Erfindung ist, kann jeden bekannten Regulierung-Mechanismus
beinhalten, wie sie z. B. in ähnlichen
Vorrichtungen verwendet werden, um den Durchfluss des Gases durch
die Expansionsdüse
zu regulieren.
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Obwohl
eine Ausführungsform
der Erfindung bildlich dargestellt beschrieben wurde, wird es offensichtlich,
dass viele Modifikationen, Variationen und Adaptionen durch den
Durchschnittsfachmann vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung, wie
sie durch den Umfang der Ansprüche
definiert ist, abzuweichen.