CN103398493B - 一种氪气隔热的emccd相机制冷系统 - Google Patents

Abstract

一种氪气隔热的电子倍增电荷耦合器件（Electron Multiplication Charge Coupled Device,EMCCD）相机制冷系统，与当前普遍使用的真空隔热不同，它主要依靠氪气的低热导率进行隔热。系统主要由散热器、一级热电制冷器、二级热电制冷器、密封外壳、外层防护罩、内层防护罩、EMCCD和冷指等部分组成。本发明的特点是在密封腔体中充入一个大气压的高纯氪气，利用氪气的低热传导率减小EMCCD与外界环境通过热传导的换热；同时设置两层防护罩，一方面能减小EMCCD与外界通过热辐射的换热；另一方面，可通过控制防护罩间的间距，抑制氪气在腔体内部的对流，从而抑制对流换热。本发明具有密封要求不高，易于实现，有效寿命长的特点，具有一定的应用潜力。

Description

一种氪气隔热的EMCCD相机制冷系统

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及一种氪气隔热的EMCCD相机制冷系统。

背景技术

电子倍增电荷耦合器件EMCCD（Electron Multiplication Charge Coupled Device,EMCCD）具有高灵敏度与高帧频两个特点，在天文观测、生物医学、科学研究、工业生产等领域有广阔的应用前景。影响EMCCD信噪比的两个关键因素：暗电流噪声与电子倍增增益均与EMCCD的工作温度相关。EMCCD的工作温度愈低，其暗电流噪声愈小，其电子倍增增益愈大，从而其信噪比愈高。因此，针对EMCCD的制冷系统是EMCCD相机必不可少的组成部分。

真空能完全杜绝对流换热，同时也能大大削减热传导换热，是当前最有效的隔热方式，也是制冷相机常使用的隔热方法。但真空隔热对密封腔的密封要求很高，泄露率过大会致使真空很快失效，从而影响隔热性能。真空隔热的EMCCD相机制冷系统属于小体积准静态真空系统，要使泄漏率满足使用寿命要求，对加工工艺的要求非常高，且对内部材料的放气有严格的要求，实现不易。

发明内容

本发明技术问题：克服现有真空密封实现不易的难点，提供一种氪气隔热的EMCCD相机制冷系统，使用氪气进行隔热，具有密封要求不高，易于实现，有效寿命长的特点。

本发明的技术方案如下：一种氪气隔热的EMCCD相机制冷系统，包括：散热器1、一级热电制冷器2、二级热电制冷器3、密封外壳4、外层防护罩5、内层防护罩6、EMCCD7和冷指8；散热器1贴在密封外壳4外部底面，一级热电制冷器2、二级热电制冷器3、外层防护罩5、内层防护罩6、EMCCD7和冷指8置于密封外壳4内。一级热电制冷器2的热端贴在密封外壳4内部底面，安装中心与散热器1安装中心重合；一级热电制冷器2冷端边缘与外层防护罩5相连，中心位置安放二级热电制冷器3。冷指8的两端分别连接二级热电制冷器3冷端与EMCCD7底面；内层防护罩6通过绝热支撑件固定在外层防护罩5上。

所述密封腔体内充入一个大气压的高纯氪气，利用氪气的低热传导率减小EMCCD与外界环境通过热传导的换热。同时设置两层防护罩，一方面能减小EMCCD与外界通过热辐射的换热；另一方面，可通过控制防护罩间的间距，抑制氪气在腔体内部的对流，从而抑制对流换热。

本发明提出的EMCCD相机制冷系统，通过外层防护罩5、内层防护罩6将密封腔内氪气分隔成三层的主要目的是通过控制气体厚度抑制气体在温差作用下发生对流。如图2所示，在矩形腔体中，当腔体相对的两个面温度不同（T1>T2），而其他面则与环境绝热。在H/L>>1的条件下，腔体内气体是否发生对流与腔体的倾斜角α以及气体的瑞利数Ra_L,有关。瑞利数Ra_L,的表达式为：

${\mathrm{Ra}}_L=\frac{\mathrm{g\β}(T_1-T_2)L^3}{\mathrm{\αv}}$

其中g为当地重力加速度，β为容积热膨胀系数，T₁，T₂为两个平板各自温度，L为特征尺寸，α为热扩散系数，ν为运动粘度。

当α=0°，Ra_L≤1708时，气体浮力不能克服粘滞阻力，腔体内不存在对流。

当α=90°，Ra_L≤1000时，气体浮力不能克服粘滞阻力，腔体内不存在对流。

当α=180°时，气体受冷下沉，腔体内不会发生对流。

经计算，在本发明中，若使气体不发生对流，则L≤5mm。因此，密封外壳4、外层防护罩5和内层防护罩6三者间的间距为4～5mm。

散热器1主要作用是将一级热电制冷器2、二级热电制冷器3以及EMCCD7产生的热量带到周边环境中去。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提出的EMCCD相机制冷系统，通过对EMCCD进行制冷，能大大幅度提升EMCCD的信噪比，提升其探测能力。同时，该制冷系统使用氪气隔热，不需严格的真空密封，具有密封要求不高，易于实现，有效寿命长的特点。

（2）本发明中EMCCD与外界环境通过热传导的换热；同时设置内、外两层防护罩，一方面能减小EMCCD与外界通过热辐射的换热；另一方面，可通过控制防护罩间的间距，抑制氪气在腔体内部的对流，从而抑制对流换热。一级热电制冷器与二级热电制冷器堆叠成一个三级制冷器，通过该制冷器降低EMCCD的温度，冷指是EMCCD与二级热电制冷器冷端之间热量传递的桥梁，它将EMCCD上的热量传递给二级热电制冷器，从而降低EMCCD的温度。

附图说明

图1为本发明提出的EMCCD相机制冷系统结构示意图，

图2为矩形腔体中的自然对流示意图。

其中1为散热器，2为一级热电制冷器，3为二级热电制冷器，4为密封外壳，5为外层防护罩，6为内层防护罩，7为EMCCD，8为和冷指。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要由散热器1、一级热电制冷器2、二级热电制冷器3、密封外壳4、外层防护罩5、内层防护罩6、EMCCD7和冷指8组成。散热器1贴在密封外壳4外部底面，一级热电制冷器2、二级热电制冷器3、外层防护罩5、内层防护罩6、EMCCD7和冷指8置于密封外壳4内。一级热电制冷器2的热端贴在密封外壳4内部底面，安装中心与散热器1安装中心重合。一级热电制冷器2冷端边缘与外层防护罩5相连，中心位置安放二级热电制冷器3。冷指8的两端分别连接二级热电制冷器3冷端与EMCCD7底面。内层防护罩6通过绝热支撑件固定在外层防护罩5上。

外层防护罩5的材质为紫铜，内层防护罩6的材质为铝，两者表面均需抛光镀银，镀银的作用是减小表面发射率，从而减少辐射换热量。安装时，密封外壳4、外层防护罩5、内层防护罩6三者间应保持4～5mm的间距。由于三者间具有温度差，它们之间的支撑件应使用热导率尽量低的材料制作。如聚碳酸酯等。

一级热电制冷器2与二级热电制冷器3堆叠成一个三级制冷器，通过该制冷器降低EMCCD7的温度，冷指8是EMCCD7与二级热电制冷器3冷端之间热量传递的桥梁，它将EMCCD7上的热量传递给二级热电制冷器3，从而降低EMCCD7的温度。

制冷系统密封腔内氪气应完全置换，具体方法是先使用分子泵将腔体真空度抽至10^-4Pa以内，然后再充入氪气，直至密封腔内压强等于大气压强。

本发明具有密封要求不高，易于实现，有效寿命长的特点，具有一定的应用潜力。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (2)

1.一种氪气隔热的EMCCD相机制冷系统，其特征在于：包括：散热器(1)、一级热电制冷器(2)、二级热电制冷器(3)、密封外壳(4)、外层防护罩(5)、内层防护罩(6)、EMCCD(7)和冷指(8)；散热器(1)贴在密封外壳(4)外部底面，一级热电制冷器(2)、二级热电制冷器(3)、外层防护罩(5)、内层防护罩(6)、EMCCD(7)和冷指(8)置于密封外壳(4)内；一级热电制冷器(2)的热端贴在密封外壳(4)内部底面，安装中心与散热器(1)安装中心重合；一级热电制冷器(2)冷端边缘与外层防护罩(5)相连，中心位置安放二级热电制冷器(3)；冷指(8)的两端分别连接二级热电制冷器(3)冷端与EMCCD(7)底面；内层防护罩(6)通过绝热支撑件固定在外层防护罩(5)上；

所述的密封外壳(4)、外层防护罩(5)和内层防护罩(6)三者间的间距为4～5mm。

2.根据权利要求1所述的氪气隔热的EMCCD相机制冷系统，其特征在于：所述密封腔体内充入一个大气压的高纯氪气。