CN106872050A - 一种上端面开窗的液氮杜瓦 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种上端面开窗的液氮杜瓦，由内、外圆柱形金属层组成真空密封腔，在内圆柱金属层顺序安装冷头，接线柱、液氮入口管和与支撑结构组成内部低温主体热传导单元，在外圆柱金属层侧面、顶面上顺序安装接插件，排气管以及窗口形成整体杜瓦结构。该结构特点在于窗口位于杜瓦上端面，内部低温主体热传导单元采用了锥形圆片状的导热结构，在保持良好的热传导性能情况下，极大地减小了冷头、杜瓦的重量，增加了所储存液氮体积；该结构优点在于振动小，重量轻，能与市场上绝大部分落射型光学测量设备组合，实现低温条件下制冷型焦平面探测器生产过程中材料，光敏元阵列芯片性能的稳定测量表征。
Description
技术领域
本发明涉及低温保持应用杜瓦，具体是指一种适合与广泛应用的落射型三维影像仪、显微镜组合实现样品在液氮温度(77K)条件下样品形变、电学性能测量的低温应用杜瓦。
背景技术
在红外探测器研制领域，随着红外材料研制技术、芯片制造技术和微电子技术的飞速发展，红外焦平面探测器在性能、规模等方面取得了巨大的成就。制冷型红外焦平面探测器因响应速度快、灵敏度高和探测距离远等优异特性在航天遥感、天文探测和军事等敏感领域重要应用而备受各国的重视。用于制造制冷型焦平面探测器所涉及的InSb、HgCdTe和超晶格材料，光敏元阵列芯片以及封装完成的焦平面器件的性能表征需要借助大量的光学测量设备，并在低温条件下进行。在这些光学测量设备中，其光路大部分为落射型，一般也不会配备低温制冷装置，如三维影像仪、金相显微镜和白光干涉仪等。机械制冷机成本高，可靠性低，部件的机械运动导致的振动会严重影响光学测量的精度。专利ZL200510025916.3中提出的专用杜瓦，其冷头为简单的紫铜导热棒，重量、体积均过大，极有可能使得整个杜瓦的重量超出了测量设备载物台的承重，影响测量精度，同时使得储存液氮量小，低温维持时间短；其液氮入口设计在杜瓦侧壁，液氮注入操作和液氮量控制上相对困难。设计一种振动小，重量轻，能与落射型光学测量设备组合，实现低温条件下焦平面器件制造材料，光敏元阵列芯片性能稳定测量表征的液氮杜瓦，对促进制冷型红外焦平面探测器的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是解决制冷型焦平面探测器生产制造过程中需要借助大量的落射型光学测量设备进行低温条件下产品的性能检测表征，而设备无配套的制冷装置的局限性问题。
本发明所述的上端面开窗的液氮杜瓦在方案上，窗口设计在杜瓦的上端面，视场水平，窗口大小可根据需要进行相应的调整；窗口支架通过螺纹环安装固定在外圆柱金属层上，在安装拆解上相对简单；其内部低温主体热传导单元采用了锥形圆片状的导热结构，在保持良好的热传导性能情况下，极大地减小了冷头、杜瓦的重量，增加了所储存液氮体积。
本发明中提出的上端面开窗的液氮杜瓦在结构上包括内圆柱形金属层1、外圆柱形金属层2、冷头3和窗口组件6。内圆柱形金属层1、外圆柱形金属层2组成真空密封腔，在内圆柱金属层1内安装有冷头3，内圆柱金属层1与外圆柱形金属层2之间有液氮入口管4和与对称支撑结构5；外圆柱金属层2侧面安装有接插件8，排气管9；外圆柱金属层2上顶面为窗口安装面，窗口组件6通过螺纹环7固定在外圆柱金属层2上，形成整体杜瓦结构。窗口组件6位于杜瓦上端面，呈水平，测试光线经窗口6-2垂直入射至冷头3样品安装面。
内圆柱形金属层1和外圆柱形金属层2是不锈钢、或者铝合金材料的中空圆柱体。
冷头(3)底部为锥形圆片状的导热结构，冷头(3)顶表面有接线柱(3-1)，冷头(3)采用紫铜材料，接线柱(3-1)采用紫铜材料。
窗口组件(6)由窗口支架(6-1)和窗口(6-2)组成，窗口支架(6-1)采用铝合金支架，窗口(6-2)为Al2O3、或者ZnSe窗口。
本发明的优点：
1.上端面窗口设计，形成水平视场，易与通用的落射型光学测量设备组合实现样品低温条件下性能的稳定测量。
2.采用了锥形圆片状的导热结构，在保持良好的热传导性能情况下，杜瓦重量小，液氮储存体积大，低温维持时间长。
3.液氮制冷，杜瓦振动小，有利于高精度光学测量。
附图说明
图1是本发明的上端面开窗杜瓦整体结构示意图。图中1是内圆柱形金属层、2是外圆柱形金属层、3是冷头、4是液氮入口管、5是对称支撑结构、6是窗口组件、7是螺纹环、8是接插件、9是排气管；3-1是接线柱；6-1是窗口支架、6-2是窗口。
具体实施方式：
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
1.本发明中提出的上端面开窗的液氮杜瓦在结构上主要包括内圆柱形金属层1、外圆柱形金属层2、冷头3和窗口组件6。内圆柱形金属层1、外圆柱形金属层2组成真空密封腔，内圆柱形金属层1和外圆柱形金属层2采用304不锈钢材料，材料之间采用钎焊焊接。
2.在内圆柱金属层1内安装冷头3，两者之间密封连接，钎焊焊接，冷头3底部设计锥形圆片状的导热结构，增大与液氮接触面积，提高热传导效果。
3.冷头3顶表面设计有接线柱3-1，接线柱3-1位于冷平台3最外侧，接线柱3-1与冷头3之间采用玻璃珠烧结连接，呈圆形均匀分布，总针脚数50个。针脚通过微小漆包线从杜瓦的穿墙接线柱引出与外部仪表相连接，实现电信号的输入输出。
4.杜瓦外壳圆柱形金属层2上端靠外侧为一液氮入口管4，液氮入口管4与内圆柱金属层1相通；右半部分对称位置有一与液氮入口管4相类似的结构5，对称支撑结构5连接杜瓦外壳圆柱形金属层2与内圆柱金属层1，从而起到对杜瓦内圆柱金属层1固定的作用。
5.在外圆柱金属2侧面安装接插件8，排气管9。
6.外圆柱金属层2上顶面为窗口安装面，窗口组件6通过螺纹环7固定在外圆柱金属层2上，形成具有水平视场特点的杜瓦结构。冷平台顶面与杜瓦窗口相对应，杜瓦窗口为Al2O3窗口，窗口尺寸为74mm×46mm。
7.对加工完成后的初样杜瓦进行真空度、温度、温度分布均匀性等指标进行试验测量。试验情况表明：一、在杜瓦组装合理且与真空泵正确连接时，该批杜瓦最终真空度均可达到～2.0×10-3Pa，符合实际使用的要求。二、杜瓦圆形冷头3上温度监测使用Pt100铂电阻，两个测试部位，一个为冷平台中心位置，另一个为冷平台边缘，即靠近接线柱3-1部位；稳态时两个部位温度均约为80K，温差小于1K。
Claims (4)
1.一种上端面开窗的液氮杜瓦，包括内圆柱形金属层(1)、外圆柱形金属层(2)、冷头(3)和窗口组件(6)，其特征在于：
所述的上端面开窗液氮杜瓦由内圆柱形金属层(1)、外圆柱形金属层(2)组成真空密封腔，在内圆柱金属层(1)内安装有冷头(3)，内圆柱金属层(1)与外圆柱形金属层(2)之间有液氮入口管(4)和与对称支撑结构(5)；外圆柱金属层(2)侧面安装有接插件(8)，排气管(9)；外圆柱金属层(2)上顶面为窗口安装面，窗口组件(6)通过螺纹环(7)固定在外圆柱金属层(2)上，形成整体杜瓦结构；窗口组件(6)位于杜瓦上端面，呈水平，测试光线经窗口(6-2)垂直入射至冷头(3)样品安装面。
2.根据权利要求1所述的一种上端面开窗的液氮杜瓦，其特征在于：所述的内圆柱形金属层(1)和外圆柱形金属层(2)是不锈钢、或者铝合金材料的中空圆柱体。
3.根据权利要求1所述的一种上端面开窗的液氮杜瓦，其特征在于：冷头(3)底部为锥形圆片状的导热结构，冷头(3)顶表面有接线柱(3-1)，所述的冷头(3)采用紫铜材料，接线柱(3-1)采用紫铜材料。
4.根据权利要求1所述的一种上端面开窗的液氮杜瓦，其特征在于：所述窗口组件(6)由窗口支架(6-1)和窗口(6-2)组成，窗口支架(6-1)为铝合金支架，窗口(6-2)为Al2O3、或者ZnSe窗口。
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