CN105136313A - 红外探测器杜瓦组件测试用液氮水平制冷装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外探测器杜瓦组件测试用液氮水平制冷装置及设计方法，它适用于分置式红外探测器杜瓦组件的过程性能测试，也适用于集成式红外探测器杜瓦组件的过程性能测试。主要由液氮腔体壁(1)、液氮腔底(2)、上盖(3)、真空保持罩(4)、压紧螺母(5)、杜瓦组件安装法兰(6)、抽气阀座(7)、抽气阀塞(8)、外壳(9)、冷指(10)、输液管(11)、尾气管(12)、热耦合器(13)等组成。并可通过给定计算公式获得稳定的液氮流量的调节值，再根据调节值通过调节液氮流量调节杆(16)以达到控制液氮流量的目的。本发明解决水平放置红外探测器杜瓦组件光谱测试、电性能测试和系统光学校正时需要液氮制冷的问题。

Description

红外探测器杜瓦组件测试用液氮水平制冷装置及设计方法

技术领域

本发明涉及红外探测器制造技术和低温与制冷技术，具体指一种红外探测器杜瓦组件测试用液氮水平制冷装置，它适用于红外探测器杜瓦组件的光谱测试和电性能测试，适用于在系统光学校正时对红外探测器杜瓦组件进行制冷，也适用于其它需要液氮水平制冷的场合。

背景技术

红外探测器组件制备技术在航天、航空红外领域有着重要意义。随着波长向长波扩展和探测灵敏度的提高，红外探测器必须在深低温下才能工作。由于机械制冷具有结构紧凑、体积小、重量轻、制冷量大、制冷时间短、制冷温度可控范围大等优点，目前该类探测器在应用中大多采用机械制冷方式。这样也使得其应用时大多采用杜瓦封装形成红外探测器杜瓦组件。

光谱测试和电性能测试是红外探测器杜瓦组件研制过程中重要环节。传统的红外探测器杜瓦组件光谱测试一般有两种方法。方法一为红外探测器芯片成型后在液氮侧照杜瓦内进行光谱测试，封装成红外探测器杜瓦组件一般不进行光谱测试。红外探测器杜瓦组件的光谱测试一般采用红外探测器芯片光谱与滤光片光谱叠加拟合而成；方法二为红外探测器杜瓦组件耦合制冷机后进行光谱测试；上述两种方法存在如下不足，方法一是间隔获得光谱响应曲线。方法二对于红外探测器杜瓦耦合小型制冷机(如曲柄连杆式)在光谱测试时可以操作，对红外探测器杜瓦组件耦合轮廓尺寸比较大的制冷机(比如牛津型长寿命制冷机)，由于现有的光谱仪测试平台的尺寸限制，无法进行光谱测试。红外探测器杜瓦组件的电性能测试一般是将面源黑体安装在红外探测器杜瓦组件下方，将红外探测器杜瓦组件窗口向下，确保红外探测器水平且面向下。利用红外探测器杜瓦组件支撑芯柱的容腔注入液氮进行制冷，此方法的不足为液氮的存储量较小，需要在测试过程中追加液氮。红外探测器杜瓦组件在系统应用时多为水平放置，传统的液氮直接制冷无法实现，大多需要耦合制冷机后进行系统光学校正。为了减小制冷机压缩机振动对一系统焦面的影响，制冷机的压缩机和膨胀机或脉管的支撑采用不共面设计，两者之间采用金属连管连接，在进行系统光学校正时，当光校量超过了金属连管的柔性余量后，就必须两面一起调整，这增加系统光校的复杂程度。随着探测器规模不断增加和探测器与低温光学集成度的提高，红外探测器杜瓦组件外型尺寸此问题更加突出。针对红外探测器杜瓦组件光谱测试、电性能测试和系统光校出现的上述问题，必须要探索一种新方法来解决它们。

发明内容

本发明的目的是提供一种红外探测器杜瓦组件测试用液氮水平制冷装置，它适用于分置式红外探测器杜瓦组件的过程性能测试，也适用于集成式红外探测器杜瓦组件的过程性能测试。本发明解决水平放置红外探测器杜瓦组件光谱测试、电性能测试和系统光学校正时需要液氮制冷的问题。

本发明一种红外探测器杜瓦组件测试用液氮水平制冷装置如附图1所示，包括液氮腔体壁1、液氮腔底2、上盖3、真空保持罩4、压紧螺母5、杜瓦组件安装法兰6、抽气阀座7、抽气阀塞8、外壳9、冷指10、输液管11、尾气管12、热耦合器13、液氮堵头14、尾气管座15、液氮流量调节杆16、定杆座17、导气底座18。

液氮腔体壁1、液氮腔底2、上盖3、压紧螺母5、杜瓦组件安装法兰6、抽气阀座7、抽气阀塞8、外壳9、冷指10均选用不锈钢材料。

输液管11和尾气管12为薄壁管，材料选用铜管或不锈钢。

液氮堵头14、尾气管座15、定杆座17和导气底座18选用不锈钢材料。

所述的液氮腔体壁1下端为液氮腔底2，液氮腔体壁1与液氮腔底2外部为真空保持罩4，在真空保持罩4外部为外壳9；外壳9顶部为上盖3，上盖3上部为定杆座17，定杆座17下部为液氮流量调节杆16，外壳底端为尾气座15，外壳顶部一侧为抽气阀座7，抽气阀座7内为抽气阀塞8，外壳底部一侧为法兰6；法兰6后部为外壳9，法兰6前部为冷指10，冷指10前部为耦合器13，耦合器13后部并在冷指10内部为输液管11及尾气管12；输液管11一端与液氮腔底2相连另一端与耦合器13相连；尾气管12一端与耦合器13相连另一端与尾气座15相连；尾气座15下部为底座18。

所述的液氮腔体壁1下端面与液氮腔底2的外圆周面焊接密封，液氮腔体壁1上端面与上盖3的内圆周面焊接密封，真空保持罩4套通过压紧螺母5固定在液氮腔体壁1外圆周上；将抽气阀座7和法兰6与外壳9焊接密封，外壳9与上盖3的外圆周面焊接密封；将输液管11、尾气管12、热耦合器13及冷指10组装好后钎焊密封；将冷指10与法兰6焊接密封，再将输液管11与液氮腔底2通过低温胶密封，将液氮堵头14与液氮腔底4通过低温胶密封；将尾气管12与尾气管座15用低温胶密封，然后将尾气座15与外壳9焊接密封；将带有液氮流量调节杆16的定杆座17通过螺钉固定在上盖3上，最后将底座18安装到外壳9上。

所述的液氮腔体壁1原材料需探伤，机加工成薄壁阶梯轴圆桶，桶的厚度为0.15mm-0.2mm。在桶底采用局部加厚，厚度为0.3mm-0.5mm,长度为25mm-60mm。

所述的液氮腔底2如附图2所示。其上部加工成导液锥槽201，其半锥角选择为15°-30°，其中孔的中部外圆加工外螺纹202，在外螺纹202下面的外圆周侧面加工为光孔203，底面加工沉头底孔204。

所述的真空保持罩如附图3所示，由罩上盖401、圆形网402、罩上垫块403、罩桶404、活性碳405、罩下垫块406组成。罩上盖401、罩上垫块403、罩桶404底面和罩下垫块406相对应的位置开数量相等圆形出气孔，这些零件均选用材料密度轻的铝合金，圆形网402选用铜网或不锈钢网，防止活性碳405渗透。其各垫一块于罩上盖401和罩上垫块403、罩桶404和罩下垫块406之间。

所述的法兰6如图4所示，由外接法兰601和杜瓦组件安装法兰602组成，先将外接法兰601和抽气阀7通过钎焊或氩弧焊安装在外壳9上。再通过氩弧焊或激光焊将杜瓦组件安装法兰602安装在外接法兰601上。

所述的输液管11和尾气管12为薄壁管，壁厚0.5mm-1mm,直径选用1mm-3mm,可以手工弯曲。

所述的热耦合器13如图5所示，由输液管固定座1301、热耦合器座1302、轴向压力弹簧1303和冷帽1304组成，除轴向压力弹簧1303外均选用无氧铜或紫铜材料。轴向压力弹簧1303选用弹簧钢。输液管固定座1301开两圆孔，先将输液管固定座1301塞入热耦合器座1302内，然后分别尾气管12插入输液管固定座1301的上孔，输液管11插入输液管固定座1301的下孔，输入热耦合器13内换热腔的长度为尾气管12比输液管11长，在相应接口缝隙处涂上铁镍合金焊料，再将冷指10套到热耦合器座1302的外圆上，在接口缝隙处涂上铁镍合金焊料，最后一起送到高温钎焊炉中完成焊接。

所述的液氮流量调节杆16如图6所示，由防堵流量调节针锥1601、插销1602、过渡块1603、拉杆1604和调节螺钉1605组成。防堵流量调节针锥1601材料选用不锈钢，下面外圆周开有矩形槽，其半锥角度选择12°-15°，与液氮腔底2上导液锥槽201采用间隙配合。在使用中，随着液氮液面下降，空气进入液氮腔体壁1，其中水蒸气遇冷凝结结冰，冰会沉积在液氮腔底部，采用倒锥形的防堵口使得液氮经过回流继续流下，冰在底部附着，不会影响到液氮的正常流动。防堵流量调节针锥上部与过渡块之间通过销钉连接；拉杆选用环氧棒材料，其与上下连接采用低温胶胶接。调节旋钮螺钉下部加工有螺旋测微螺纹，与定杆座17螺纹连接。

本发明的实现步骤如下(如图1)：

(1)液氮腔体壁1与液氮腔底2激光或氩弧焊接。

(2)罩桶404套入液氮腔体壁1，在罩桶404底部放上圆形网402和罩下垫块406然后拧紧压紧螺母5。在罩桶404内装填活性炭405，然后分别盖上罩上垫块403、圆形网402、罩上盖401，然后敲入螺钉。

(3)将上盖3与液氮腔体壁1焊接，然后将上盖3与外壳9激光或氩弧焊接。

(4)先将输液管固定座1301塞入热耦合器座1302内，然后分别尾气管12插入输液管固定座1301的上孔，输液管11插入输液管固定座1301的下孔，插入热耦合器13内换热腔的长度为尾气管12比输液管11长，在相应接口缝隙处涂上铁镍合金焊料，再将冷指10套到热耦合器座1302的外圆上，在接口缝隙处涂上铁镍合金焊料，最后一起送到高温钎焊炉中完成焊接。

(5)将输液管另一端插入液氮腔底2，用低温密封胶密封。将液氮堵头14安装入液氮腔底2，用低温胶密封。将尾气管另一端插入尾气座15的小孔中，也用低温密封胶密封。然后将冷指10与外接法兰601焊接。

(6)将尾气座15与外壳9焊接，然后将导气底座与外壳9焊接。

(7)将液氮流量调节杆16旋入定杆座17中，然后把定杆座17通过螺钉固定在上盖3上。

本发明装置的设计方法如下，如附图7：

本发明的液氮腔的直径、高度和液氮流量调节有效等效直径参数的选取方法

①根据红外探测器杜瓦组件的热容量和漏热、制冷时间设计需要的液氮总量

红外探测器杜瓦组件的热容量为Q1(单位：焦耳)；杜瓦的漏热和探测器工作焦耳热之后为W(单位：瓦)；制冷时间为T(单位：秒)；液氮的每克的潜化热为Q2；通过计算需要的液氮总量为(公式1)，说明一下，克服杜瓦热容量需要一定时间，在此时间段内杜瓦的漏热比W小，其计算液氮总量偏大；

②根据液氮腔存储液氮总量，计算储存液氮容腔的直径与高度之间的关系；

如图所示储液腔的直径为D(单位：mm)；高度为H(单位：mm)；液氮的比重为ρ(单位：g/mm3)；计算出(公式2)

③根据制冷时间计算液氮腔的直径、底面开空直径与液氮容腔高度之间的关系

液氮流量调节有效等效直径为d(单位：mm)；在液面为高度h时，高度变化量Δh,根据质守恒，液氮从底面流出所需要的时间(公式3)公式中V为液量氮流出的速度。在根据能量守恒，势能等于动能可知(公式4)式中g为重力加速度。将公式4带入公式3.可得(公式5)，通过对公式5进行积分，得到总时间(公式6)

④液氮腔的直径、液氮流量调节有效等效直径与高度选取

将公式6除以公式2可得(公式7)；液氮流量调节有效等效直径选取为0.2mm–1mm,代入公式7，可以计算出H，再将计算出的H代入公式2可以计算出D。

本发明的给杜瓦组件水平制冷的工作原理如下(见附图8为本发明与杜瓦的耦合装配图)：

对本发明置于真空钎焊炉中，先后开启机械泵、分子泵抽真空至10^-3Pa，然后排气30分钟，排出金属内的残留气体。

将冷指10和热耦合器13外表面用无水乙醇在显微镜下擦拭干净。将杜瓦组件冷平台内壁面用无水乙醇在显微镜下擦拭干净。将配套使用的橡胶垫圈用无水乙醇擦拭干净，然后套在冷指10与连接法兰601的连接处。将热耦合器插入杜瓦中，保持冷帽1304与杜瓦组件的冷平台接触，拧紧杜瓦组件安装法兰602.

用抽气阀座7将真空保持罩4内抽真空至10-3Pa，然后塞住抽气阀塞8。往本发明的液氮腔内注满液氮，当本发明的液氮腔体壁1内注入液氮后，冷量会传给活性碳。参见相关文献77K下活性碳对H2的吸附量为200ml/g,对N2、H2O、He气体均有较好的吸附效果，其总吸气量可达380ml/g，这样实现对真空的保持。根据上述本发明设计原理计算的有效直径，旋开液氮流速旋钮，对制冷杜瓦进行制冷。

本发明有如下优点是：

1)结构简单，操作方便；维修性和互换性好。；

2)本发明与探测器杜瓦组件的热连接和机械连接，与系统应用时与制冷机的接口一致；

3)本发明与红外探测器热连接采用弹性连接，避免对探测器性能的影响；

4)本发明可以通过改变相应的参数来调正制冷时间。

附图说明

图1为液氮水平装置结构图；

图中：1—液氮腔体壁；2—液氮腔底；3—上盖；4—真空保持罩；5—压紧螺母；6—法兰；7—抽气阀座；8—抽气阀塞；9—外壳；10—冷指；11—输液管；12—尾气管；13—热耦合器；14—液氮堵头；15—尾气管座；16—液氮流量调节杆；17—定杆座；18—导气底座。

图2为液氮腔底示意图；

图中：201—导液锥槽；202—外部螺纹；203—光孔；204—沉头底孔。

图3为活性炭盒示意图；

图中：401—罩上盖；402—圆形网；403—罩上垫块；404—罩桶；405—活性炭；406—罩下垫块。

图4为法兰示意图；

图中：601—连接法兰；602—杜瓦组件安装法兰。

图5为热耦合器示意图；

图中：1301—输液管固定座；1302—热耦合器座；1303—轴向压力弹簧；1304—冷帽。

图6为热耦合器示意图；

图中：1601—防堵流量调节针锥；1602—插销；1603—过渡块；1604—拉杆；1605—调节螺钉。

图7为参数设计简视图；

图中：H—液氮总高度；H1—克服热容量后剩余液氮高度；D—液氮腔直径；d—液氮流量调节有效等效直径。

图8为液氮水平装置与杜瓦耦合示意图。

具体实施方式

下面结合附图于实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

本实施例为对512×512红外探测器件杜瓦组件进行降温，热容量为900焦耳，测试工作时杜瓦组件的热负载为600mw,要求给杜瓦制冷时间大于30分钟

一、本发明的设计结果如下

①根据分置式红外探测器杜瓦组件的热容量和漏热、制冷时间设计需要的液氮总量

分置式红外探测器杜瓦组件的热容量为Q1＝900(单位：焦耳)；杜瓦的漏热和探测器工作焦耳热之后为W＝0.6(单位：瓦)；制冷时间为T＝1800(单位：秒)；液氮的每克的潜化热为Q2＝99.74(单位：焦耳每克)；通过计算需要的液氮总量为(单位：克)，说明一下，克服杜瓦热容量需要一定时间，在此时间段内杜瓦的漏热比W小，其计算液氮总量偏大；

②根据液氮总量计算储存液氮容腔的直径与高度之间的关系；

如图所示储液腔的直径为D(单位：mm)；高度为H(单位：mm)；液氮的比重为ρ＝8.1x10-4(单位：g/mm3)；计算得出(公式2)

③根据制冷时间计算液氮容腔的直径、底面开空直径与液氮容腔高度之间的关系

在底面开空直径为d(单位：mm)；在液面为高度h时，高度变化量Δh,根据质守恒，液氮从底面流出所需要的时间(公式3)公式中V为液量氮流出的速度。在根据能量守恒，势能等于动能可知(公式4)式中g为重力加速度。将公式4带入公式3.可得(公式5)，通过对公式5进行积分，得到总时间(公式6)

④液氮容腔的直径、底面开孔直径与液氮容腔高度选取

将公式6除以公式2可得(公式7)；底面开孔直径选取为d＝0.2mm,代入公式7，可以计算出H＝38.4mm，再将计算出的H代入公式2可以计算出D＝28.5mm。

2)本发明的有效的制冷时间的计算方法

上述步骤1中的制冷时间T包括克服热容量需要的时间T1和稳定给杜瓦组件制冷的时间T2

①克服热容量所需要的液氮下降后的液氮面高度H1

分置式红外探测器杜瓦组件的热容量为Q1＝900(单位：焦耳)；剩余的液氮量为 $H1=H-\frac{4*Q1}{Q2*\mathrm{\ρ}*\mathrm{\π}*D^2}=20.96mm$ (公式8)

②克服热容量需要的时间T1

液氮流量调节有效等效直径为d(单位：mm)；在液面为高度h时，高度变化量Δh,根据质守恒，液氮从底面流出所需要的时间(公式3)公式中V为液量氮流出的速度。在根据能量守恒，势能等于动能可知(公式4)式中g为重力加速度。将公式4带入公式3.可得(公式5)，通过对公式5进行积分，计算 $T1=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{g}}\·{\left(\frac{D}{d}\right)}^2\·(\sqrt{H}-\sqrt{H1})=589s$ (公式9)

③稳定给杜瓦杜瓦组件制冷的时间T2

$T1=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{g}}\·{\left(\frac{D}{d}\right)}^2\·\sqrt{H1}=1211s$ (公式10)

二.本发明的确定结构参数如下：

(1)液氮内腔的高H为40mm、直径28.5mm，针锤的角度30°，输液管直径为1mm，本发明的外轮廓尺寸长110mm，宽60mm，高80mm。

(2)液氮控制旋钮高度选取

选取半锥形角度为θ＝15°，液氮腔底内径为D1＝1mm。由几何关系可知，液氮控制旋钮垂直往上升起Δh时，锥面离开两侧的竖直壁面Δh*tanθ，由于液氮流道是一个环形，所以我们可以用(公式11)表示环形流道的面积。由上述等效流道面积可以得到，Δh＝0.04mm。这时我们可以利用液氮控制旋钮1上的螺旋测微仪转动至垂直升高0.04mm即可。

Claims (8)

1.一种红外探测器杜瓦组件测试用液氮水平制冷装置，包括液氮腔体壁(1)、液氮腔底(2)、上盖(3)、真空保持罩(4)、压紧螺母(5)、杜瓦组件安装法兰(6)、抽气阀座(7)、抽气阀塞(8)、外壳(9)、冷指(10)、输液管(11)、尾气管(12)、热耦合器(13)、液氮堵头(14)、尾气管座(15)、液氮流量调节杆(16)、定杆座(17)、导气底座(18)，其特征在于：

所述的液氮腔体壁(1)下端为液氮腔底(2)，液氮腔体壁(1)与液氮腔底(2)外部为真空保持罩(4)，在真空保持罩(4)外部为外壳(9)；外壳(9)顶部为上盖(3)，上盖(3)上部为定杆座(17)，定杆座(17)下部为液氮流量调节杆(16)，外壳底端为尾气座(15)，外壳顶部一侧为抽气阀座(7)，抽气阀座(7)内为抽气阀塞(8)，外壳底部一侧为法兰(6)；法兰(6)后部为外壳(9)，法兰(6)前部为冷指(10)，冷指(10)前部为耦合器(13)，耦合器(13)后部并在冷指(10)内部为输液管(11)及尾气管(12)；输液管(11)一端与液氮腔底(2)相连另一端与耦合器(13)相连；尾气管(12)一端与耦合器(13)相连另一端与尾气座(15)相连；尾气座(15)下部为底座(18)。

2.根据权利要求1所述的一种红外探测器杜瓦组件测试用液氮水平制冷装置，其特征在于：所述的液氮腔体壁(1)机加工成薄壁阶梯轴圆桶，桶的厚度为0.15mm-0.2mm，在桶底采用局部加厚，厚度为0.3mm-0.5mm,长度为25mm-60mm。

3.根据权利要求1所述的一种红外探测器杜瓦组件测试用液氮水平制冷装置，其特征在于：所述的液氮腔底(2)的上部加工成导液锥槽(201)，其半锥角选择为15°-30°，其中孔的中部外圆加工外螺纹(202)，在外螺纹(202)下面的外圆周侧面加工为光孔(203)，底面加工沉头底孔(204)。

4.根据权利要求1所述的一种红外探测器杜瓦组件测试用液氮水平制冷装置，其特征在于：所述的真空保持罩(4)由罩上盖(401)、圆形网(402)、罩上垫块(403)、罩桶(404)、活性碳(405)、罩下垫块(406)组成，罩上盖(401)、罩上垫块(403)、罩桶(404)底面和罩下垫块(406)相对应的位置开数量相等圆形出气孔，这些零件均选用材料密度轻的铝合金，圆形网(402)选用铜网或不锈钢网，其各垫一块于罩上盖(401)和罩上垫块(403)及罩桶(404)和罩下垫块(406)之间。

5.根据权利要求1所述的一种红外探测器杜瓦组件测试用液氮水平制冷装置，其特征在于：所述的输液管(11)和尾气管(12)为薄壁管，壁厚0.5mm-1mm,直径选用1mm-3mm,可以手工弯曲。

6.根据权利要求1所述的一种红外探测器杜瓦组件测试用液氮水平制冷装置，其特征在于：所述的热耦合器(13)由输液管固定座(1301)、热耦合器座(1302)、轴向压力弹簧(1303)和冷帽(1304)组成，除轴向压力弹簧(1303)外均选用无氧铜或紫铜材料，轴向压力弹簧(1303)选用弹簧钢。

7.根据权利要求1所述的一种红外探测器杜瓦组件测试用液氮水平制冷装置，其特征在于：所述的液氮流量调节杆(16)由防堵流量调节针锥(1601)、插销(1602)、过渡块(1603)、拉杆(1604)和调节螺钉(1605)组成，防堵流量调节针锥(1601)材料选用不锈钢，下面外圆周开有矩形槽，其半锥角度选择12°-15°，与液氮腔底(2)上导液锥槽(201)采用间隙配合，防堵流量调节针锥上部与过渡块之间通过销钉连接；拉杆选用环氧棒材料，调节旋钮螺钉下部加工有螺旋测微螺纹，与定杆座(17)螺纹连接。

8.根据权利要求1所述的一种红外探测器杜瓦组件测试用液氮水平制冷装置，其特征在于：液氮腔的直径D、高度H和确定方法如下：

液氮腔的高度H由下式确定：

式中：d为液氮流量调节有效等效直径，取值为0.2mm–1mm；Q1为红外探测器杜瓦组件的热容量；W为杜瓦的漏热和探测器工作焦耳热；T为制冷时间；Q2为液氮的每克的潜化热；g为重力加速度；ρ为液氮的比重；

液氮腔的直径D由下式确定：