CN102818634B - 液氮致冷的红外探测器压控变温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了液氮致冷的红外探测器压控变温系统，系统由增压系统、真空系统、专用杜瓦系统组成。被测样品安装于专用杜瓦内。通过对杜瓦液氮容器内液面的压力控制，实现精确温度控制；该系统的温度变化范围为63K～126K。由于是压力控制杜瓦探测器的温度变化，该变温系统没有外加的电磁干扰，特别适用于红外探测器小信号变温测试。

Description

液氮致冷的红外探测器压控变温系统

技术领域：

本发明涉及红外光电探测器测试技术，具体涉及一种液氮致冷的红外探测器压控变温系统，它是一种采用液氮致冷的、压力控制温度变化的变温测试系统。

背景技术：

对于碲镉汞红外探测器，由于其固有的物理特性，为避免入射信号被热噪声淹没，所以一般必须工作在低温下，例如77K工作温度，或在77K上下约15～33度的工作范围，即约65K～110K的温度范围。另外，由于碲镉汞材料的禁带宽度随温度变化，因此在碲镉汞探测器的响应波长、暗电流特性等参数也随温度变化。所以，在碲镉汞探测器研制和生产过程中，研究者特别期望一种易于实现、没有电磁干扰的变温系统，对上述温度范围内的器件性能与温度、器件响应波段与温度等关系进行研究。本发明就是在这样的背景下提出并实现的一种实用的变温系统。

通常，为获得65K～110K温度范围的变温系统，可以有二种途径获得。一是采用机械制冷机，匹配专用的杜瓦，通过杜瓦内的测温元件反馈控制制冷机行程的方法，获得在此温区的任意温度。二是一种通过机械方式提升液氮液面获得被测器件高于77K的变温杜瓦，或以液氮作为冷源、以电加热达到冷热平衡方法，使冷平面得到高于正常沸点液氮温度的某一点低温温度[ZL89213854.8]。这二种方法都有各自的问题与不足。对于机械制冷机获得低温变温的方法，虽然可以获得上述所述温区中任意点温度，但首先存在的最大问题是，对于小信号测试来说，由于电磁干扰的存在，很容易对探测器微弱信号造成干扰，从而严重影响了弱信号测试精度；其次，机械制冷机必须配套专用的杜瓦，耦合、样品安装等过程非常繁杂，也非常耗费时间，无法满足探测器研制中快速、大量的探测器性能测试筛选的要求；再有，机械制冷机代价高昂，使用寿命有限。然而，对于采用提升液氮液面的方法获得变温的方法，其最大的问题是只能获得77K以上的温度变化，因为该方法是通过液面提升，减少液氮与冷指接触面积的方法，减少冷量传导，而此时其它热损耗没有降低，从而使被测样品温度高于77K；另外，由于热传导的滞后效应，经常需要较长的稳定时间，控温精度较差。

发明内容：

为解决上述存在的诸多问题，本发明设计了一种压控液氮致冷变温系统，方便地实现被测样品在65～110K温度范围的任意变化。

本发明实现的一种液氮致冷的红外探测器变温测试系统，系统由二部分组成，一为气压控制系统，二为变温专用变温杜瓦系统。被测样品安装于专用杜瓦内。通过对杜瓦液氮容器内液面的压力控制，实现精确温度控制，温度变化范围为63K～126K。由于是压力控制温度变化，变温系统没有外加的电磁干扰，因此特别适用于红外探测器小信号的变温测试。

基本原理：

大家知道，沸点比室温低得多的低温液体是在各种实验中的主要冷源，而液氮就是最常用、最便宜的冷源。因而在红外探测器研制中被广泛采用作为低温冷源。

由液氮的气液相图（如图1、图2所示），通常用温度和压强为坐标来表示单元系的平衡性质。图中，气相、液相和固相的分界线分别称为气化线、熔解线（凝固线）和升华线。曲线上的任意一点表示该点所给出的温度和压强下二相共存。气化线的存在说明，气液二相达到平衡（即饱和）时，温度（沸点）和压强（饱和蒸气压）之间存在一一对应的关系，气化线又称为饱和蒸气压曲线。气化线从三相点出发，终止于临界点。氮气的三相点温度与压强及临界点温度与压强见表1。

表1、氮气的性质

由图1、图2、表1，可以知道，氮气的临界温度T_c为126.2K，压强为3.4Mpa；氮气的三相点温度T₃为63.15K，压强为0.0125Mpa；而在一个大气压下（即为正常沸点）温度为77.344K，这就是通常使用的状态。由此，我们把高于一个大气压（称为正压区），和低于一个大气压（称为真空区）分成二部分。当压强高于一个大气压时，液氮温度由77.344K上升，直到临界点温度T_c=126.2K；反之，当压强低于一个大气压时（真空区），液氮温度由77.344K下降，直到三相点温度T₃=63.15K；由图1、图2的饱和蒸气压与温度的对应图可知，饱和蒸气压与温度存在一一对应的关系。因此，利用该对应关系，通过对饱和压强的精确控制，就可以获得在液氮正常沸点上下，三相点温度T₃=63.15K到临界点温度T_c=126.2K较宽范围内的对应温度变化。

上述数据来自《低温物理实验的原理与方法》，阎守胜 陆果编著，P44.表2.2；P113图3.1。

系统构成：

附图3 为液氮致冷的红外探测器压控变温系统总图，系统由二部分组成，一为气压控制系统，二为变温专用变温杜瓦系统。

所述的气压控制系统由真空抽气泵2、真空隔断阀门3 、精密控制针阀4、真空量表5、恒压阀6、压力控制阀门7、氮气钢瓶8、压力量表9和三通阀10构成。

所述的变温专用变温杜瓦系统包括杜瓦外壳1-1、杜瓦内胆1-2、真空夹层1-3、专用杜瓦与气压控制系统接口1-4、液氮1-5、温度传感器1-6、被测器件1-7、被测器件安装平台1-8、辐射入射窗口1-9和压力控制空腔1-10。

系统中三通阀10的A端与恒压阀6和压力控制阀门7相连，三通阀10的B端与精密控制针阀4和真空隔断阀门3相连，三通阀10的C端与变温专用变温杜瓦系统连接；压力控制阀门7的另一端连接氮气钢瓶8，真空隔断阀门3的另一端连接真空抽气泵2；压力量表 9连接在三通阀10和恒压阀6之间，真空量表5连接在三通阀10和精密控制针阀4之间。

正压区工作，三通阀门10处于A-C通，A-B、B-C隔断，打开压力控制阀7，专用杜瓦1内的压力控制液氮液面上部空腔1-10压力上升，即专用杜瓦内的液氮1-5的气液面的压力上升，由图1的气液相图可知，随着压力的增加，液氮温度上升，并液氮温度与压力有一一对应的关系（图1）。压力由压力量表9测量；恒压阀6起到设定压力和安全泄压的作用。一般，为安全与实际应用要求考虑，压力控制在10～15个大气压之间，此时温度可以在77.344K到100K～110K之间变化。精确的被测器件1-7温度可以由杜瓦内的温度传感器1-6得到。

在真空区工作，三通阀门10处于A-C、A-B隔断，B-C通，打开真空隔断阀门3，专用杜瓦1内的压力控制空腔1-10真空度下降，即专用杜瓦内的液氮1-5的气液面的真空度下降，由图2的气液相图可知，随着真空度的下降，液氮温度下降，并液氮温度与真空度有一一对应的关系（图2）。真空度由真空量表5测量。在达到所需的真空度附近，精确的真空度可由精密控制针阀4进行细调控制。真空度由0.1010MPa到0.0125MPa变化，则温度由77.344K下降到63.15K之间变化。精确的被测器件1-7温度可以由杜瓦内的温度传感器1-6得到。

通过上述二个工作区的结合，该变温系统可以通过液氮气液界面压力的控制，温度可在63.15K到126K之间较宽的温度范围内变化，满足探测器测试所需的65K～110K的温度变化范围。

本发明的优点在于，1.该变温杜瓦系统具有63K～126K较宽的变温；2.通过压力控制冷媒温度，因而没有因加热控温、或制冷机制冷带来的额外电磁干扰对红外探测器小信号测试的电磁干扰影响；3.通过精确的压力控制，可以精确的进行控制温度变化；4.一体的变温杜瓦系统设计，若以常压下沸点温度为77K的液氮作为冷源，可以原位实现对红外探测器进行63K～126K范围的变温测试，具有极大的方便性和经济性。

附图说明

图1为氮气的气液相图。

图2为正常沸点以下氮气的气液相图。

图3为液氮致冷压控变温测试系统总图；图中：

1－专用变温杜瓦； 2－真空抽气泵；3－真空隔断阀门； 4－精密控制针阀；5－真空量表； 6－恒压阀；7－压力控制阀门；8－氮气钢瓶；9－压力量表 ；10－三通阀。

图4为专用变温杜瓦系统结构图；图中：

1-1－杜瓦外壳；1-2－杜瓦内胆；1-3－真空夹层；1-4－专用杜瓦与气压控制系统接口；1-5－液氮；1-6－温度传感器；1-7－被测器件；1-8－被测器件安装平台；1-9－辐射入射窗口；1-10－压力控制空腔。

Claims (1)

1.一种液氮致冷的红外探测器压控变温系统，它由气压控制系统和变温专用变温杜瓦系统构成，其特征在于：

所述的气压控制系统由真空抽气泵（2）、真空隔断阀门（3）、精密控制针阀（4）、真空量表（5）、恒压阀（6）、压力控制阀门（7）、氮气钢瓶（8）、压力量表（9）和三通阀（10）构成；

所述的变温专用变温杜瓦系统包括杜瓦外壳（1-1）、杜瓦内胆（1-2）、真空夹层（1-3）、专用杜瓦与气压控制系统接口（1-4）、液氮（1-5）、温度传感器（1-6）、被测器件（1-7）、被测器件安装平台（1-8）、辐射入射窗口（1-9）和压力控制空腔（1-10）；

所述的液氮致冷的红外探测器压控变温系统各部件间的连接方式为：系统中所述的三通阀（10）的A端与所述的恒压阀（6）和所述的压力控制阀门（7）相连，所述的三通阀（10）的B端与所述的精密控制针阀（4）和所述的真空隔断阀门（3）相连，所述的三通阀（10）的C端与变温专用变温杜瓦系统连接；所述的压力控制阀门（7）的另一端连接所述的氮气钢瓶（8），所述的真空隔断阀门（3）的另一端连接所述的真空抽气泵（2）；所述的压力量表（9）连接在所述的三通阀（10）和所述的恒压阀（6）之间，所述的真空量表（5）连接在所述的三通阀（10）和所述的精密控制针阀（4）之间；

系统的工作方式为：正压区工作，所述的三通阀门（10）处于A-C通，A-B、B-C隔断，打开所述的压力控制阀门（7），专用变温杜瓦（1）内的压力控制液氮液面上部所述的压力控制空腔（1-10）压力上升，即专用变温杜瓦内的所述的液氮（1-5）的气液面的压力上升，随着压力的增加，液氮温度上升，压力由所述的压力量表（9）测量；所述的恒压阀（6）的压力控制在10～15个大气压之间，此时温度在77.344K到100K～110K之间变化，精确的被测器件（1-7）温度可以由杜瓦内的温度传感器（1-6）得到；在真空区工作，所述的三通阀门（10）处于A-C、A-B隔断，B-C通，打开所述的真空隔断阀门（3），所述的专用变温杜瓦（1）内的压力控制空腔（1-10）真空度下降，即专用变温杜瓦内的液氮（1-5）的气液面的真空度下降，随着真空度的下降，液氮温度下降，真空度由所述的真空量表（5）测量；在达到所需的真空度附近，精确的真空度可由所述的精密控制针阀（4）进行细调控制，真空度由0.1010MPa到0.0125MPa变化，则温度在77.344K到63.15K之间变化，精确的被测器件（1-7）温度由杜瓦内的所述的温度传感器（1-6）得到。

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