CN103644676B

CN103644676B - 一种emccd相机致冷系统冷屏装置

Info

Publication number: CN103644676B
Application number: CN201310646743.1A
Authority: CN
Inventors: 何凯; 马文礼; 王明富; 黄龙
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2033-12-04
Also published as: CN103644676A

Abstract

本发明公开了一种EMCCD相机致冷系统冷屏装置，其核心是：在EMCCD相机致冷系统中，设计一个较低温的冷屏，用该冷屏将EMCCD等被冷却器件包围起来，减少致冷时EMCCD与周边环境的温差，从而减少EMCCD与周边环境的换热量。其实现结构包括：热沉、一级热电制冷器、N级热电制冷器（N=2,3,4）、外壳、冷屏、EMCCD以及冷指。冷屏与一级热电制冷器冷端相连，依靠一级热电制冷器冷却冷屏。设计冷屏能够有效减少，致冷时由外界进入EMCCD的热量，从而对减少致冷系统负载，降低EMCCD致冷系统最低致冷温度有积极的意义。在非真空绝热的致冷系统中，效果更为明显。

Description

一种EMCCD相机致冷系统冷屏装置

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及一种电子倍增电荷耦合器件（ElectronMultiplication Charge Coupled Device,EMCCD）相机致冷系统冷屏装置。

背景技术

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，对EMCCD致冷能极大提升其性能，致冷系统是高性能EMCCD相机必不可少的组成部分。

当前EMCCD相机致冷系统多使用热电制冷器作为其冷源。热电制冷器是基于帕尔贴效应的一种小型制冷器，优点是：体积小、使用方便、可靠性高，但是也存在效率低、制冷温差有限、制冷量小等不足。而热电制冷器工作时，冷端负载越小，制冷效果越好。为充分利用热电制冷器的制冷量，增大制冷温差，在设计致冷系统时，应尽可能减少致冷时由外界进入EMCCD的热量。EMCCD与外界换热量越小，致冷系统致冷效果越好。

发明内容

以减少EMCCD与外界环境换热量为目的，本发明公开了一种EMCCD相机致冷系统中的冷屏装置，通过设计冷屏，能够减少外界进入EMCCD的热量。

本发明的技术方案如下：

一种EMCCD相机致冷系统冷屏装置，包括：热沉、一级热电制冷器、N级热电制冷器、外壳、冷屏、EMCCD以及冷指。N=2,3,4，热沉安装在外壳外部底面，其余部件均位于外壳内。一级热电制冷器安装在外壳内部与热沉对应的位置，其热端贴在外壳腔壁上，冷端与冷屏以及N级热电制冷器热端相连。冷屏将N级热电制冷器、EMCCD以及冷指等低温部件包围起来。冷指处于N级热电制冷器3冷端与EMCCD之间，充当两者间热量传递的桥梁。

进一步的，一级热电制冷器与N级热电制冷器堆叠而成的多级热电制冷器，其中一级热电制冷器的冷端与N级热电制冷器的热端相连，一级热电制冷器冷端尺寸大于N级热电制冷器热端尺寸。同时，一级热电制冷器致冷时冷端温度，低于不与之相连时冷屏自身温度。

进一步的，冷屏的材质为紫铜，表面镀银处理。

进一步的，冷屏外表面与外壳内表面间距为4-6mm。

本发明的原理在于：

一种EMCCD相机致冷系统冷屏装置，其核心思想是：在EMCCD相机致冷系统中，设计一个较低温的冷屏，用该冷屏将EMCCD等被冷却器件包围起来，减少致冷时EMCCD与周边环境的温差，从而减少EMCCD与周边环境的换热量。其实现结构包括：热沉、一级热电制冷器、N级热电制冷器（N=2,3,4）、外壳、冷屏、EMCCD以及冷指。冷屏与一级热电制冷器冷端相连，依靠一级热电制冷器冷却冷屏。设计冷屏能够有效减少，致冷时由外界进入EMCCD的热量，从而对减少致冷系统负载，降低EMCCD致冷系统最低致冷温度有积极的意义。在非真空绝热的致冷系统中，效果更为明显。试验证明，在使用惰性气体绝热的EMCCD相机致冷系统中，通过设计冷屏，使外界进入EMCCD的热量较原来减少了25%。

本发明的有益效果是：

（1）、本发明提出的EMCCD相机致冷系统冷屏设计技术，通过在EMCCD与外壳间设置一低温冷屏，能有效减少致冷系统工作时，EMCCD与周边环境的换热，进一步降低致冷系统的最低致冷温度。

（2）、本发明提出的EMCCD相机致冷系统冷屏设计技术，通过在冷屏上镀银，能将环境辐射反射回去，减少一级热电制冷器上的负载。

附图说明

图1为本发明提出的一种EMCCD相机致冷系统冷屏装置EMCCD相机制冷系统结构示意图。其中1为热沉，2为一级热电制冷器，3为N级热电制冷器（N=2,3,4），4为外壳，5为冷屏，6为EMCCD，7为冷指。

图2为EMCCD与外界环境换热热网络图。T_AMB为环境温度，T₁为冷屏温度，T_CCD为EMCCD致冷后温度，R₁为冷屏与外壳间热阻，R₂为EMCCD与冷屏间热阻，Q₁为由外壳进入冷屏热流量，Q₂为由冷屏进入EMCCD热流量，Q₃为一级热电制冷器从冷屏带走的热量

图3为冷屏结构及安装示意图。2为一级热电制冷器，3为N级热电制冷器（N=2,3,4），5a为冷屏主体，5b为冷屏上盖，6为EMCCD，7为冷指。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

一种EMCCD相机致冷系统冷屏装置，其实现结构如图1所示，包括：热沉1、一级热电制冷器2、N级热电制冷器（N=2,3,4）3、外壳4、冷屏5、EMCCD6以及冷指7。热沉1安装在外壳4外部底面，其余部件均位于外壳4内。一级热电制冷器2安装在外壳4内部与热沉1对应的位置，其热端贴在外壳4腔壁上，冷端与冷屏5以及N级热电制冷器3热端相连。冷屏5将N级热电制冷器3、EMCCD6以及冷指7等低温部件包围起来。冷指7处于N级热电制冷器3冷端与EMCCD6之间，充当两者间热量传递的桥梁。

EMCCD相机致冷系统冷屏设计技术使用一级热电制冷器2与N级热电制冷器3堆叠而成的多级热电制冷器，其中一级热电制冷器2的冷端与N级热电制冷器3的热端相连，一级热电制冷器2冷端尺寸大于N级热电制冷器3热端尺寸。同时，一级热电制冷器2致冷时冷端温度，低于不与之相连时冷屏自身温度。

EMCCD相机致冷系统冷屏设计技术要求冷屏包围EMCCD等元器件，为便于EMCCD等器件的安装，冷屏须分成两个部分。如图3所示，冷屏被分成冷屏主体5a与冷屏上盖5b，在冷屏内部器件安装妥善后，此两者使用螺钉紧固连接，要求保证两者间良好的热接触。

为使N级热电制冷器3热端与一级热电制冷器2冷端相连，冷屏主体5a底面有开孔，如图中A处所示，开孔边缘与一级热电制冷器2冷端边缘相连，也要求保证良好的热接触。

冷屏在图示B、C两处也有开孔，其作用分别是EMCCD信号线出口与光信号入口。

冷屏使用紫铜为制作材料，目的是保证冷屏温度的均匀性。表面镀银处理，目的是提供良好的防辐射能力。

EMCCD相机致冷系统冷屏设计技术要求冷屏5外表面与外壳4内表面间距为4-6mm。EMCCD相机致冷系统的热网络图如图2所示，当冷屏不与一级热电制冷器2冷端相连时，各换热量Q₁、Q₂、Q₃及T₁分别满足：

Q_{1} = Q_{2} = \frac{T_{AMB} - T_{CCD}}{R_{1} + R_{2}} = \frac{T_{AMB} - T_{1}}{R_{1}} = \frac{T_{1} - T_{CCD}}{R_{2}}

Q₃=0

T_{1} = T_{AMB} - \frac{R_{1} \cdot (T_{AMB} - T_{CCD})}{R_{1} + R_{2}}

当冷屏5与一级热电制冷器2冷端相连时，冷屏5温度T₁发生改变，变为与一级热电制冷器2冷端温度一致，此时Q₁、Q₂、Q₃分别满足：

Q_{1} = \frac{T_{AMB} - T_{1}}{R_{1}}

Q_{2} = \frac{T_{1} - T_{CCD}}{R_{2}}

Q₃＝Q₁-Q₂

设计时保证了一级热电制冷器2冷端温度，低于不与之相连时冷屏自身温度。通过设计冷屏能够减少冷屏与EMCCD间的温差：T₁-T_CCD。与此同时，EMCCD与冷屏间热阻R₂不随冷屏温度变化而变化。因此，设计冷屏能够有效减少环境进入EMCCD的热量Q₂。设计冷屏带来的副作用是在一级热电制冷器2上施加了额外的负载Q₃。但一级热电制冷器的效率较高，且Q₃较小，对致冷系统性能造成负面影响很小，可忽略不计。

本发明能有效减少致冷时EMCCD与外界的换热量，对减少致冷系统负载，降低EMCCD致冷系统的最低致冷温度有积极的意义。

Claims

1.一种EMCCD相机致冷系统冷屏装置的设计方法，其特征在于，该设计方法设计的EMCCD相机致冷系统冷屏装置包括：热沉(1)、一级热电制冷器(2)、N级热电制冷器(3)、外壳(4)、冷屏(5)、EMCCD(6)以及冷指(7)，其中N＝2,3,4，热沉(1)安装在外壳(4)外部底面，其余部件均位于外壳(4)内，一级热电制冷器(2)安装在外壳(4)内部与热沉(1)对应的位置，其热端贴在外壳(4)腔壁上，冷端与冷屏(5)以及N级热电制冷器(3)热端相连，冷屏(5)将N级热电制冷器(3)、EMCCD(6)以及冷指(7)低温部件包围起来，冷指(7)处于N级热电制冷器(3)冷端与EMCCD(6)之间，充当两者间热量传递的桥梁；

一级热电制冷器(2)与N级热电制冷器(3)堆叠而成的多级热电制冷器，一级热电制冷器的冷端与N级热电制冷器的热端相连，一级热电制冷器(2)冷端尺寸大于N级热电制冷器(3)热端尺寸，同时，一级热电制冷器(2)致冷时冷端温度，低于不与之相连时冷屏自身温度；

为使N级热电制冷器(3)热端与一级热电制冷器(2)冷端相连，冷屏主体(5a)底面有开孔，开孔边缘与一级热电制冷器(2)冷端边缘相连，也要求保证良好的热接触；

冷屏也有两处开孔，其作用分别是EMCCD信号线出口与光信号入口；

冷屏使用紫铜为制作材料，目的是保证冷屏温度的均匀性，表面镀银处理，目的是提供良好的防辐射能力；

EMCCD相机致冷系统冷屏设计技术要求冷屏(5)外表面与外壳(4)内表面间距为4-6mm；

当冷屏不与一级热电制冷器(2)冷端相连时，各换热量Q₁、Q₂、Q₃及T₁分别满足：

Q_{1} = Q_{2} = \frac{T_{A M B} - T_{C C D}}{R_{1} + R_{2}} = \frac{T_{A M B} - T_{1}}{R_{1}} = \frac{T_{1} - T_{C C D}}{R_{2}}

Q₃＝0

T_{1} = T_{A M B} - \frac{R_{1} \cdot (T_{A M B} - T_{C C D})}{R_{1} + R_{2}}

当冷屏(5)与一级热电制冷器(2)冷端相连时，冷屏(5)温度T₁发生改变，变为与一级热电制冷器(2)冷端温度一致，此时Q₁、Q₂、Q₃分别满足：

Q_{1} = \frac{T_{A M B} - T_{1}}{R_{1}}

Q_{2} = \frac{T_{1} - T_{C C D}}{R_{2}}

Q₃＝Q₁-Q₂

设计时保证了一级热电制冷器(2)冷端温度，低于不与之相连时冷屏自身温度，通过设计冷屏能够减少冷屏与EMCCD间的温差：T₁-T_CCD，与此同时，EMCCD与冷屏间热阻R₂不随冷屏温度变化而变化，因此，设计冷屏能够有效减少环境进入EMCCD的热量Q₂，设计冷屏带来的副作用是在一级热电制冷器(2)上施加了额外的负载Q₃，但一级热电制冷器的效率较高，且Q₃较小，对致冷系统性能造成负面影响很小，可忽略不计；

该EMCCD相机致冷系统冷屏装置能有效减少致冷时EMCCD与外界的换热量，对减少致冷系统负载，降低EMCCD致冷系统的最低致冷温度有积极的意义；

试验证明，在使用惰性气体绝热的EMCCD相机致冷系统中，通过设计冷屏，使外界进入EMCCD的热量较原来减少了25％；

该EMCCD相机致冷系统冷屏装置通过在EMCCD与外壳间设置一低温冷屏，能有效减少致冷系统工作时，EMCCD与周边环境的换热，进一步降低致冷系统的最低致冷温度；

该EMCCD相机致冷系统冷屏装置通过在冷屏上镀银，能将环境辐射反射回去，减少一级热电制冷器上的负载。