CN108231948A - 雪崩光电二极管的抽充气密封系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种雪崩光电二极管的抽充气密封系统及其操作方法，包括安装有雪崩光电二极管的密封盒、抽气系统和充气系统，密封盒包括盒盖、盒体和盒底，盒体的顶部四周和底部四周均设有一圈凹槽，所述凹槽内填充有氟胶圈，盒体的外侧面通过密封抽气法兰连接有密封阀，抽气系统包括真空计、抽气手动阀和旋片泵，密封阀分别与真空计和抽气手动阀连接，抽气手动阀与旋片泵连接，充气系统包括压阻规、充气微调阀和充气气瓶，密封阀分别与压阻规和充气微调阀连接，充气微调阀和充气气瓶连接。本发明密封效果好，且有效的防止雪崩二极管表面结露，阻止外部水蒸气进入。

Description

雪崩光电二极管的抽充气密封系统及其操作方法
技术领域
本发明涉及量子密钥分配和单光子探测领域，具体涉及一种雪崩光电二极管的抽充气密封系统及其操作方法。
背景技术
在量子保密通讯中使用单光子探测器探测携带量子信息的单光子，并转换为电信号输出，然后通过符合测量、计数等手段提取其量子信息或实现量子密钥分配等通信任务。只有当单光子探测器探测到单光子信号后，密钥的发射方和接收方才能通过一定的方法建立密钥。目前在1550nm通讯波段主要利用铟镓砷雪崩光电二极管（InGaAs-APD）作为光敏感元件来实现红外单光子探测。
利用雪崩光电二极管进行单光子探测时，雪崩光电二极管工作与改革模式下，即加在雪崩光电二极管两端的反向偏置电压大于其雪崩电压。在这种模式下，雪崩光电二极管在单光子的触发下发生“自持雪崩”，即雪崩放大增益可达到106以上，这时，单光子信号就可以被放大到足够大，以保证其可以被后续电路检测到。
雪崩二极管需要工作下低温（-40℃左右）下，减少激发载流子的数量，抑制热噪声引起的随机热噪声电流。
雪崩二极管工作在这样的温度下，雪崩二极管表面容易结露，如果密封措施不好，雪崩二极管结露现象更加明显。结露不仅会影响器件工作特性，严重时，还会造成短路，使整个系统失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种防止雪崩二极管结露的雪崩光电二极管的抽充气密封系统及其操作方法，本雪崩光电二极管的抽充气密封系统及其操作方法密封效果好，且有效的防止雪崩二极管表面结露，阻止外部水蒸气进入。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种雪崩光电二极管的抽充气密封系统，包括安装有雪崩光电二极管的密封盒、抽气系统和充气系统，所述密封盒包括盒盖、盒体和盒底，所述盒体的顶部四周和底部四周均设有一圈凹槽，所述凹槽内填充有氟胶圈，所述盒体的顶部四周和底部四周均连接有向外侧突出的连接耳，所述盒盖通过螺钉与盒体顶部的连接耳连接且盒体顶部的氟胶圈位于盒体与盒盖之间，所述盒底通过螺钉与盒体底部的连接耳连接且盒体底部的氟胶圈位于盒体与盒底之间，所述盒体的外侧面通过密封抽气法兰连接有密封阀，所述抽气系统包括真空计、抽气手动阀和旋片泵，所述密封阀分别与真空计和抽气手动阀连接，所述抽气手动阀与旋片泵连接，所述充气系统包括压阻规、充气微调阀和充气气瓶，所述密封阀分别与压阻规和充气微调阀连接，所述充气微调阀和充气气瓶连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，还包括五通管件、若干个卡箍、波纹管和气体管路，所述密封阀通过卡箍与五通管件中的一路连接，所述真空计通过卡箍与五通管件中的一路连接，所述抽气手动阀通过卡箍与五通管件中的一路连接，所述抽气手动阀通过卡箍与波纹管的一端连接，所述波纹管的另一端通过卡箍与旋片泵连接，所述压阻规通过卡箍与五通管件中的一路连接，所述充气微调阀通过卡箍与五通管件中的一路连接，所述充气微调阀通过气体管路与充气气瓶连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述盒盖的中部设有观察口，所述观察口通过螺钉密封连接有观察窗，所述观察窗在盒盖上对应的安装螺钉孔为盲孔。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述密封盒的内部还安装有温差电致冷组件TEC、热敏电阻、PCB板和SMA射频线缆，所述温差电致冷组件TEC的热面固定在所述密封盒的盒底的内表面，所述雪崩光电二极管和热敏电阻均通过底座安装在温差电致冷组件的冷面，所述雪崩光电二极管通过PCB板与SMA射频线缆电连接，所述密封盒的盒体的外侧壁分别固定有射频连接器、光纤密封连接器和引线连接器，所述温差电致冷组件TEC和热敏电阻均与引线连接器电连接，所述引线连接器用于为温差电致冷组件TEC提供外部控制信号，所述雪崩光电二极管的光纤尾管与光纤密封连接器连接，所述SMA射频线缆与射频连接器连接。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述充气气瓶内装有氩气，所述盒体为一次加工成型的四面体。
为实现上述技术目的，本发明采取的另一个技术方案为：
一种雪崩光电二极管的抽充气密封系统的操作方法，包括以下步骤：
（1）初始化：保持密封阀、抽气手动阀和充气微调阀全部关闭；
（2）密封盒抽气：启动旋片泵，打开抽气手动阀和密封阀，对密封盒进行抽气，真空计实时监测密封盒内的真空度，当真空计监测的真空度达到指定的真空度值后，关闭旋片泵和抽气手动阀，完成密封盒抽气；
（3）密封盒充气：打开充气微调阀，将充气气瓶内的气体通过充气微调阀和密封阀向密封盒内充气，压阻规实时监测密封盒中的气体压力，当压阻规监测的气体压力达到指定的气体压力值后，关闭充气微调阀和密封阀，完成密封盒充气。
本发明的有益效果为：（1）本发明的密封盒的盒体为一次加工成型的四面体，密封盒的盒盖与盒体之间、盒盖和盒底之间的密封方式均为氟胶圈压紧密封方式，整体密封效果较好，防止外界空气及水蒸气进入，减少雪崩二极管结露现象。（2）本发明的密封盒可以通过打开密封阀，使用抽气系统的抽气功能实现真空状态，减少盒体内部的空气和水蒸气，进一步有效的防止雪崩光电二极管表面结露，电路失效。实际测试，密封盒1整体漏率小于10-11pa*m3/s。（3）本发明的充气系统中的充气气瓶内装有氩气。充氩气时，充气气体经由充气气瓶依次流经充气微调阀、压阻规、经密封阀进入密封盒。此时由于盒体内正压，可以更好的阻止外部水蒸气进入密封盒内，更进一步防止雪崩光电二极管表面结露，电路失效。（4）本发明通过温差电致冷组件TEC为雪崩光电二极管进行制冷，通过热敏电阻和外界控制信号实现对温差电致冷组件TEC的电流大小进行实时调节，有效保证盒体内的温度稳定，始终保持工作在低温（-40℃左右）下，从而减少激发载流子的数量，抑制热噪声引起的随机热噪声电流。（5）本发明通过五通管件实现密封盒与充气系统和抽气系统的整体连接，安装拆卸方便，整体结构操作简单。
附图说明
图1为本发明的密封盒的侧面结构示意图。
图2为本发明的密封盒的俯视图。
图3为本发明的密封盒的内部结构示意图。
图4为本发明的整体结构连接示意图。
具体实施方式
下面根据图1至图4对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
参见图1，一种雪崩光电二极管的抽充气密封系统，包括安装有雪崩光电二极管13的密封盒1和抽气系统，所述密封盒1包括盒盖2、盒体3和盒底4，所述盒体3的顶部四周和底部四周均设有一圈凹槽，所述凹槽内填充有氟胶圈5，所述盒体3的顶部四周和底部四周均连接有向外侧突出的连接耳26，所述盒盖2通过螺钉6与盒体3顶部的连接耳26连接且盒体3顶部的氟胶圈5位于盒体3与盒盖2之间，所述盒底4通过螺钉6与盒体3底部的连接耳26连接且盒体3底部的氟胶圈5位于盒体3与盒底4之间，参见图2和图4，所述盒体3的外侧面通过密封抽气法兰11连接有密封阀19，所述抽气系统包括真空计20、抽气手动阀21和旋片泵22，所述密封阀19分别与真空计20和抽气手动阀21连接，所述抽气手动阀21与旋片泵22连接。本实施例的密封盒1的盒体3为一次加工成型的四面体，密封盒1的盒盖2与盒体3之间、盒盖2和盒底4之间的密封方式均为氟胶圈5压紧密封方式，整体密封效果较好，防止外界空气及水蒸气进入，减少雪崩二极管结露现象。密封盒1通过打开密封阀19，可以使用抽气系统抽气实现真空状态，减少盒体3内部的空气和水蒸气，进一步有效的防止雪崩光电二极管13表面结露，电路失效。实际测试，密封盒1整体漏率小于10-11pa*m3/s。
为了避免密封盒1被水蒸气进一步污染，也可以采用气氛保护法，气体采用高纯氮或高纯氩均可以。压力维持在0.11-0.13兆帕。经过抽真空处理后的密封盒1需充满高纯氮气或高纯氩气体，此时由于密封盒1内正压，可以更好的阻止外部水蒸气进入密封盒1内，更进一步防止雪崩光电二极管13表面结露，电路失效。充气系统用于实现这一功能，具体为：参见图4，本实施例还包括充气系统，所述充气系统包括压阻规23、充气微调阀24和充气气瓶25，所述密封阀19分别与压阻规23和充气微调阀24连接，所述充气微调阀24和充气气瓶25连接。本实施例既保护密封盒1，还保护与密封盒1配套的抽气系统以及充气系统，统一称为抽充气密封系统。其中真空计20用于测量密封盒1抽气时的真空度；压阻规23用于测量充气气氛的压力。
本实施例中，参见图4，还包括五通管件27、若干个卡箍、波纹管28和气体管路29，所述密封阀19通过卡箍与五通管件27中的一路连接，所述真空计20通过卡箍与五通管件27中的一路连接，所述抽气手动阀21通过卡箍与五通管件27中的一路连接，所述抽气手动阀21通过卡箍与波纹管28的一端连接，所述波纹管28的另一端通过卡箍与旋片泵22连接，所述压阻规23通过卡箍与五通管件27中的一路连接，所述充气微调阀24通过卡箍与五通管件27中的一路连接，所述充气微调阀24通过气体管路29与充气气瓶25连接。
初始时，各阀门（19,21,24）处于关闭状态，启动旋片泵22，打开抽气手动阀21和密封阀19,对密封盒1抽气，用真空计20监测密封盒1内真空度，抽到10Pa真空度后，关闭旋片泵22和抽气手动阀21，完成密封盒1抽气，真空的密封盒1有效的减少盒体内的水蒸气，防止雪崩光电二极管13表面结露。启动抽气后，密封盒1内气体由密封盒1经密封阀19、真空计20、抽气手动阀21由旋片泵22的排气阀排出。旋片泵22连接有电源。当密封盒1充气的时候，打开充气微调阀24，将充气气瓶25中的气体通过充气微调阀24引入充气室（密封盒1），用压阻规23监测密封盒1中的气体压力，当气体达到指定压力110kPa后关闭密封阀19和充气微调阀24，即可完成充气。所述充气气瓶25内装有氩气。充氩气时，充气气体经由充气气瓶25依次流经充气微调阀24、压阻规23、经密封阀19进入密封盒1。此时由于盒内正压，可以更好的阻止外部水蒸气进入密封盒1内，更进一步防止雪崩光电二极管13表面结露，电路失效。
本实施例中，参见图1，所述盒盖2的中部设有观察口7，所述观察口7通过螺钉6密封连接有观察窗8，所述观察窗8在盒盖2上对应的安装螺钉孔为盲孔。观察窗8为玻璃材质，观察窗8方便观察密封盒1内情况，盲孔相对于通孔密封效果更好。
本实施例中，参见图3，所述密封盒1的内部还安装有温差电致冷组件TEC14、热敏电阻15、PCB板17和SMA射频线缆18，所述温差电致冷组件TEC14的热面固定在所述密封盒1的盒底4的内表面，所述雪崩光电二极管13和热敏电阻15均通过底座16安装在温差电致冷组件的冷面，所述雪崩光电二极管13通过PCB板17与SMA射频线缆18电连接，参见图2，所述密封盒1的盒体3的外侧壁分别固定有射频连接器10、光纤密封连接器9和引线连接器12，所述温差电致冷组件TEC14和热敏电阻15均与引线连接器12电连接，所述引线连接器12用于为温差电致冷组件TEC14提供外部控制信号，所述雪崩光电二极管13的光纤尾管与光纤密封连接器9连接，所述SMA射频线缆18与射频连接器10连接。热敏电阻15采用PT1000热敏电阻，用于检测雪崩光电二极管13温度，并根据PT1000反馈数值调节TEC电流大小，冷端温度控制，实现雪崩光电二极管13的持续稳定的低温，保持工作在低温（-40℃左右）下，从而减少激发载流子的数量，抑制热噪声引起的随机热噪声电流。PCB板17与3个SMA射频线缆18，用于处理雪崩信号并将处理后的雪崩信号送到盒体3外部进行放大甄别。射频连接器10、光纤密封连接器9和引线连接器12与密封盒1连接位置密封良好。
本实施例还提供一种雪崩光电二极管的抽充气密封系统的操作方法，包括以下步骤：
（1）初始化：保持密封阀19、抽气手动阀21和充气微调阀24全部关闭；
（2）密封盒1抽气：启动旋片泵22，打开抽气手动阀21和密封阀19，对密封盒1进行抽气，真空计20实时监测密封盒1内的真空度，当真空计20监测的真空度达到指定的真空度值后，关闭旋片泵22和抽气手动阀21，完成密封盒1抽气；
（3）密封盒1充气：打开充气微调阀24，将充气气瓶25内的气体通过充气微调阀24和密封阀19向密封盒1内充气，压阻规23实时监测密封盒1中的气体压力，当压阻规23监测的气体压力达到指定的气体压力值后，关闭充气微调阀24和密封阀19，完成密封盒1充气。
本发明的密封盒 1进行抽充气后，至少可以保证雪崩光电二极管13工作在-40℃、正常大气压下，三年内不会出现结露情况。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种雪崩光电二极管的抽充气密封系统，其特征在于：包括安装有雪崩光电二极管的密封盒、抽气系统和充气系统，所述密封盒包括盒盖、盒体和盒底，所述盒体的顶部四周和底部四周均设有一圈凹槽，所述凹槽内填充有氟胶圈，所述盒体的顶部四周和底部四周均连接有向外侧突出的连接耳，所述盒盖通过螺钉与盒体顶部的连接耳连接且盒体顶部的氟胶圈位于盒体与盒盖之间，所述盒底通过螺钉与盒体底部的连接耳连接且盒体底部的氟胶圈位于盒体与盒底之间，所述盒体的外侧面通过密封抽气法兰连接有密封阀，所述抽气系统包括真空计、抽气手动阀和旋片泵，所述密封阀分别与真空计和抽气手动阀连接，所述抽气手动阀与旋片泵连接，所述充气系统包括压阻规、充气微调阀和充气气瓶，所述密封阀分别与压阻规和充气微调阀连接，所述充气微调阀和充气气瓶连接。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管的抽充气密封系统，其特征在于：还包括五通管件、若干个卡箍、波纹管和气体管路，所述密封阀通过卡箍与五通管件中的一路连接，所述真空计通过卡箍与五通管件中的一路连接，所述抽气手动阀通过卡箍与五通管件中的一路连接，所述抽气手动阀通过卡箍与波纹管的一端连接，所述波纹管的另一端通过卡箍与旋片泵连接，所述压阻规通过卡箍与五通管件中的一路连接，所述充气微调阀通过卡箍与五通管件中的一路连接，所述充气微调阀通过气体管路与充气气瓶连接。
3.根据权利要求2所述的雪崩光电二极管的抽充气密封系统，其特征在于：所述盒盖的中部设有观察口，所述观察口通过螺钉密封连接有观察窗，所述观察窗在盒盖上对应的安装螺钉孔为盲孔。
4.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管的抽充气密封系统，其特征在于：所述密封盒的内部还安装有温差电致冷组件TEC、热敏电阻、PCB板和SMA射频线缆，所述温差电致冷组件TEC的热面固定在所述密封盒的盒底的内表面，所述雪崩光电二极管和热敏电阻均通过底座安装在温差电致冷组件的冷面，所述雪崩光电二极管通过PCB板与SMA射频线缆电连接，所述密封盒的盒体的外侧壁分别固定有射频连接器、光纤密封连接器和引线连接器，所述温差电致冷组件TEC和热敏电阻均与引线连接器电连接，所述引线连接器用于为温差电致冷组件TEC提供外部控制信号，所述雪崩光电二极管的光纤尾管与光纤密封连接器连接，所述SMA射频线缆与射频连接器连接。
5.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管的抽充气密封系统，其特征在于：所述充气气瓶内装有氩气，所述盒体为一次加工成型的四面体。
6.一种根据权利要求1所述的雪崩光电二极管的抽充气密封系统的操作方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）初始化：保持密封阀、抽气手动阀和充气微调阀全部关闭；
（2）密封盒抽气：启动旋片泵，打开抽气手动阀和密封阀，对密封盒进行抽气，真空计实时监测密封盒内的真空度，当真空计监测的真空度达到指定的真空度值后，关闭旋片泵和抽气手动阀，完成密封盒抽气；
（3）密封盒充气：打开充气微调阀，将充气气瓶内的气体通过充气微调阀和密封阀向密封盒内充气，压阻规实时监测密封盒中的气体压力，当压阻规监测的气体压力达到指定的气体压力值后，关闭充气微调阀和密封阀，完成密封盒充气。
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