CN113720446A - 一种低温辐射计布线结构及布线方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光辐射功率测量技术领域，公开了一种低温辐射计布线结构及布线方法，设计六根超导电碳黑制作的绝热导电柱均匀分布在二级圆柱体热沉的圆周上，低温辐射计吸收腔上一只锗温度传感器和一个薄膜加热器的引线分别在绝热导电柱一端缠绕若干圈并用Kapton胶带固定；引线在绝热导电柱另一端缠绕若干圈后缠绕在位于二级热沉和一级热沉之间的胶木定位环圆环穿孔中的细铜棒上，确保温度传感器和加热器引线有序布置并通过各级热屏蔽层；缠绕在细铜棒上的引线再缠绕在一级圆柱体热沉、制冷头，直至引出低温辐射计真空腔。本发明提高温度传感器温度测量的准确性，即提高了低温辐射计功率测量的准确性。
Description
技术领域
本发明属于光辐射功率测量技术领域，涉及一种低温辐射计布线结构及布线方法，尤其涉及一种工作在4K温区的基于电替代原理的低温辐射计的布线结构及布线方法。
背景技术
低温辐射计广泛应用于辐射测量学、光辐射计量学、光谱学和天体物理学等领域。其工作原理和电替代辐射计是相同的，但由于工作在液氦温度，所以突破了环境和材料的限制，不确定度比常温电替代辐射计降低约一个量级，显示出了极其卓越的性能，由此引发了计量发达国家计量院对低温辐射计技术的研究。目前在光辐射计量研究领域中，低温辐射计已经成为国际上标准化研究机构公认的探测器基准，也是光辐射绝对功率测量的公认基准。
由于低温辐射计工作在10-6Pa超高真空和4K的超低温的环境下，低温辐射计中吸收腔的加热器引线和测温传感器引线需要从10-6Pa超高真空和4K的超低温的环境引出到标准大气压和300K的环境中，如何通过布线减少温度传感器引线的漏热、使加热和测温引线分别有序经过各级热屏蔽层引出低温辐射计的真空腔是保证低温辐射计功率测量结果准确性的重要因素，因此需要对低温辐射计的布线方法进行分析。由于低温辐射计腔体结构不同，布线方法也不同。例如低温辐射计吸收腔位于热沉内部的腔体结构，通常在热沉上布置若干个吸热柱，低温辐射计吸收腔上的温度传感器引线在吸热柱上缠绕若干圈，用Kapton胶带把引线同定在各个热屏蔽层上，直到将引线引出低温辐射计的外部。采取上述这些措施后从引线传入或传出的大部分热量可被热容大的物体所吸收，进一步提高温度传感器测量结果的准确性。例如低温辐射计吸收腔位于热沉前端的腔体结构，低温辐射计吸收腔上的温度传感器引线通常依次在热沉和制冷系统上缠绕若干圈，直至引出低温辐射计外部。中科院长春光学精密机械与物理研究所的题为“空间绝对辐射定标基准辐射计测量方法和关键技术研究”博士论文中介绍了空间绝对辐射定标基准辐射计布线时采用缠绕的方式，通过增加引线与一级制冷系统(77K)和二级制冷系统(20K)的接触面积以降低引线漏热。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：针对目前低温辐射计温度传感器的引线漏热问题，提供一种低温辐射计的布线结构及布线方法，以有效改善低温辐射计的温度传感器的引线漏热。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种低温辐射计布线结构，所述布线结构布置在低温辐射计的真空腔内，真空腔内包括由前至后依次布置的吸收腔1、二级热沉3、一级热沉5，吸收腔1上布置有温度传感器和加热器，温度传感器上设有四根引线，加热器上设有两根引线，六根引线在二级热沉3上缠绕引出，缠绕在二级热沉3上的引线经过一级热沉5引出。
具体地，低温辐射计吸收腔温度传感器和加热器布线方法包括以下步骤：
第一步：低温辐射计吸收腔上温度传感器和加热器引线的布线
本发明所涉及的低温辐射计吸收腔为带斜底的圆柱吸收腔，温度传感器和加热器均安装在吸收腔斜底板上，温度传感器上有四根引线，加热器上有两根引线。温度传感器的外接引线为覆有绝缘层-聚酰亚胺的磷青铜线，靠近温度传感器的引线涂敷IMI-7031清漆并用低温胶固定在吸收腔斜底面上，使这段引线与吸收腔的温度相同，以减小引线的传热。加热器的外接引线为铌铋超导线，靠近加热器的引线涂敷IMI-7031清漆并用低温胶固定在吸收腔斜底板上，以确保电加热功率全部耗散在吸收体内。
第二步：低温辐射计二级热沉上温度传感器和加热器引线的布线
本发明所涉及的低温辐射计的吸收腔在二级热沉的前部，吸收腔上温度传感器和加热器的引线需要首先经过二级热沉引出，所以设计六根超导电碳黑制作的绝热导电柱均匀分布在二级圆柱体热沉的圆周上，低温辐射计吸收腔上一只锗温度传感器和一个薄膜加热器的六根引线分别在绝热导电柱一端缠绕若干圈并用Kapton胶带固定以增加热接触，绝热导电柱另一端同样将引线缠绕若干圈后依次缠绕在二级热沉上并用低温胶固定，从而减小引线漏进的热量。并且为保证测量数据的准确性，在满足使用要求的前提下引线的长度应尽可能短。
第三步：低温辐射计一级热沉上温度传感器和加热器引线的布线
本发明所涉及的低温辐射计的二级热沉在一级热沉的前部，缠绕在二级热沉上的引线需要经过一级热沉引出。二级热沉与一级热沉之间由不锈钢柱支撑连接，在不锈钢柱上设计胶木定位环，胶木定位环上开有多个穿孔均匀分布在圆环上，穿孔中插有细铜棒，缠绕在二级热沉上的引线分别缠绕在胶木定位环细铜棒上靠近二级热沉的一端，细铜棒靠近一级热沉的一端同样将引线缠绕若干圈后依次缠绕在一级热沉上并用低温胶固定，直至依次引出低温辐射计真空腔。胶木定位环起到保护引线作用，防止各级热屏蔽层拆卸过程中对引线的损伤。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的低温辐射计的布线结构及布线方法，整体技术效果体现为：
(1)本发明设计六根超导电碳黑制作的绝热导电柱均匀分布在低温辐射计二级圆柱体热沉的圆周上，低温辐射计吸收腔上一只锗温度传感器和一个薄膜加热器的六根引线分别在绝热导电柱一端缠绕若干圈并用Kapton胶带固定以增加热接触，引线在绝热导电柱另一端同样缠绕若干圈后依次缠绕在二级热沉上并用低温胶固定，从而减少低温辐射计温度传感器和加热器引线的漏热，从而提高温度传感器温度测量的准确性，即提高了低温辐射计功率测量的准确性。
(2)本发明设计胶木定位环位于二级热沉和一级热沉之间，胶木定位环上开有多个穿孔均匀分布在圆环上，穿孔中插有细铜棒，缠绕在二级热沉上的引线分别缠绕在胶木定位环细铜棒上靠近二级热沉的一端，细铜棒靠近一级热沉的一端将引线缠绕若干圈后依次缠绕在一级热沉上并用低温胶固定，直至引出低温辐射计真空腔。胶木定位环起到保护引线作用，防止各级热屏蔽层拆卸过程中对引线的损伤，同时确保温度传感器和加热器引线有序布置并通过各级热屏蔽层。
附图说明
图1是低温辐射计真空腔内部组成示意图。
图2是低温辐射计吸收腔组成示意图。
图3是低温辐射计真空腔温度传感器和加热器布线顺序示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例低温辐射计吸收腔温度传感器和加热器布线方法的具体步骤如下：
第一步：低温辐射计吸收腔上温度传感器和加热器引线的布线
正如图1所示，本发明优选实施例中的低温辐射计布线结构在其真空腔内部设置，真空腔由吸收腔1、绝热导电柱2、二级热沉3、胶木定位环4、一级热沉5、制冷头6组成。
正如图2所示，本发明优选实施例中的吸收腔1由吸收腔入口1-1、带有斜底的圆柱状腔体1-2、斜底板1-3、黑涂层1-4组成。吸收腔入口1-1直径为10mm。带有斜底的圆柱状腔体1-2由电解铜制作，腔体厚度为0.1mm、内径为10mm、总长度为40mm。斜底板1-3由电解铜制作成椭圆形，斜底板厚度为0.1mm、长轴长11.547mm、短轴长10mm、与水平方向成600角。带有斜底的圆柱状腔体1-2和斜底板1-3内部均匀喷涂碳纳米管黑涂层1-4。温度传感器1-5和加热器1-7均安装在吸收腔斜底板1-3上。温度传感器引线1-6又细又长，而且需要通过温度梯度很大的区域(4K到300K)，因而温度传感器引线1-6的电阻很大，不可忽略。为了消除温度传感器引线1-6的电阻对测量温度传感器1-5电阻的影响，采用四线法测量电阻，以保证测量结果的准确性，因此温度传感器引线1-6由四根覆有绝缘层-聚酰亚胺的磷青铜线引线构成。加热器引线1-8由两根铌铋超导线引线构成。靠近温度传感器1-5的引线涂敷IMI-7031清漆并用低温胶固定在吸收腔斜底板1-3上，使这段引线与吸收腔的温度相同，以减小引线的传热。靠近加热器1-7的引线涂敷IMI-7031清漆并用低温胶固定在吸收腔斜底板1-3上，以确保电加热功率全部耗散在吸收体内。
第二步：低温辐射计二级热沉上温度传感器和加热器引线的布线
正如图3所示，本发明优选实施例中的吸收腔1在二级热沉3的前部，吸收腔1上温度传感器1-5和加热器1-7的引线需要首先经过二级热沉3引出。其中二级热沉3为铜材料制作的直径为80mm、高度为30mm的圆柱状热沉，温度传感器1-5为美国Lakeshore公司的GR-1400型锗温度传感器，加热器1-7为聚酰亚胺薄膜加热器。本发明设计六根超导电碳黑制作的绝热导电柱2均匀分布在二级圆柱体热沉3的圆周上，绝热导电柱2的长度为50mm、直径为1mm。吸收腔1上锗温度传感器1-5的四根引线1-6和加热器1-7的两根引线1-8分别在绝热导电柱2一端缠绕若干圈并用Kapton胶带固定以增加热接触，绝热导电柱2另一端同样将引线1-6和1-8缠绕若干圈后依次缠绕在二级热沉3上并用低温胶固定，从而减小引线漏进的热量。同时为保证测量数据的准确性，在满足使用要求的前提下引线的长度应尽可能短。
第三步：低温辐射计一级热沉上温度传感器和加热器引线的布线
正如图3所示，本发明优选实施例中的二级热沉3在一级热沉5的前部，缠绕在二级热沉3上的引线1-6和1-8需要经过一级热沉5引出。二级热沉3与一级热沉5之间由不锈钢柱支撑连接，在不锈钢柱上设计胶木定位环4，胶木定位环4内径为30mm、外径为50mm。胶木定位环4上开有多个穿孔均匀分布在圆环上，穿孔中插有细铜棒，铜棒直径为1mm。缠绕在二级热沉3上的引线1-6和1-8分别缠绕在胶木定位环4细铜棒上靠近二级热沉3的一端，细铜棒靠近一级热沉的一端同样将引线1-6和1-8缠绕若干圈后依次缠绕在一级热沉5上并用低温胶固定，直至依次引出低温辐射计真空腔。胶木定位环4同时起到保护引线的作用，防止各级热屏蔽层拆卸过程中对引线的损伤。
由上述技术方案可以看出，本发明通过在低温辐射计二级热沉上设计六根超导电碳黑制作的绝热导电柱，使吸收腔上温度传感器和加热器的六根引线分别在绝热导电柱缠绕，既减少温度传感器和加热器引线的漏热，又使引线有序排列，从而提高温度传感器温度测量的准确性，即提高了低温辐射计功率测量的准确性；通过在二级热沉和一级热沉之间设计胶木定位环，在确保温度传感器和加热器引线有序布置并通过各级热屏蔽层的同时起到保护温度传感器和加热器引线作用，防止各级热屏蔽层拆卸过程中对引线的损伤。本发明能够为低温辐射计的设计、研制和布线提供可靠依据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种低温辐射计布线结构，其特征在于，所述布线结构布置在低温辐射计的真空腔内，真空腔内包括由前至后依次布置的吸收腔(1)、二级热沉(3)、一级热沉(5)，吸收腔(1)上布置有温度传感器和加热器，温度传感器上设有四根引线，加热器上设有两根引线，六根引线在二级热沉(3)上缠绕引出，缠绕在二级热沉(3)上的引线经过一级热沉(5)引出。
2.如权利要求1所述的低温辐射计布线结构，其特征在于，所述吸收腔(1)为带斜底的圆柱吸收腔，温度传感器和加热器均安装在吸收腔斜底板上，温度传感器的四根引线为覆有绝缘层-聚酰亚胺的磷青铜线，四根引线靠近温度传感器的端部涂敷IMI-7031清漆并用低温胶固定在吸收腔斜底面上，使引线端部与吸收腔的温度相同；加热器的两根引线为铌铋超导线，两根引线靠近加热器的端部涂敷IMI-7031清漆并用低温胶固定在吸收腔斜底板上，使电加热功率全部耗散在吸收腔内。
3.如权利要求2所述的低温辐射计布线结构，其特征在于，所述六根引线在二级热沉(3)上缠绕引出时，设计六根超导电碳黑制作的绝热导电柱均匀分布在二级圆柱体热沉的圆周上，六根引线分别在绝热导电柱一端缠绕若干圈并用Kapton胶带固定以增加热接触，绝热导电柱另一端同样由六根引线缠绕若干圈后依次缠绕在二级热沉上并用低温胶固定，以减小引线漏进的热量。
4.如权利要求3所述的低温辐射计布线结构，其特征在于，所述二级热沉(3)与一级热沉(5)之间由不锈钢柱支撑连接，在不锈钢柱上设置胶木定位环，胶木定位环上开有多个均匀分布在圆环上的穿孔，穿孔中插有细铜棒。
5.如权利要求4所述的低温辐射计布线结构，其特征在于，缠绕在二级热沉(3)上的引线经过一级热沉(5)引出时，缠绕在二级热沉(3)上的引线分别缠绕在胶木定位环细铜棒上靠近二级热沉(3)的一端，细铜棒靠近一级热沉(5)的一端同样将引线缠绕若干圈后依次缠绕在一级热沉(5)上并用低温胶固定，直至依次引出低温辐射计真空腔。
6.一种低温辐射计布线方法，其特征在于，所述低温辐射计的真空腔内包括由前至后依次布置的吸收腔(1)、二级热沉(3)、一级热沉(5)，吸收腔(1)上布置有温度传感器和加热器，温度传感器上设有四根引线，加热器上设有两根引线，布线方法包括以下步骤：
第一步：低温辐射计吸收腔(1)上温度传感器和加热器引线的布线；
第二步：低温辐射计二级热沉(3)上温度传感器和加热器引线的布线；
第三步：低温辐射计一级热沉(5上温度传感器和加热器引线的布线。
7.如权利要求6所述的低温辐射计布线方法，其特征在于，所述第一步中，吸收腔(1)为带斜底的圆柱吸收腔，温度传感器和加热器均安装在吸收腔斜底板上，温度传感器的四根引线为覆有绝缘层-聚酰亚胺的磷青铜线，四根引线靠近温度传感器的端部涂敷IMI-7031清漆并用低温胶固定在吸收腔斜底面上，使引线端部与吸收腔的温度相同；加热器的两根引线为铌铋超导线，两根引线靠近加热器的端部涂敷IMI-7031清漆并用低温胶固定在吸收腔斜底板上，使电加热功率全部耗散在吸收腔内。
8.如权利要求7所述的低温辐射计布线方法，其特征在于，所述第二步中，六根引线在二级热沉(3)上缠绕引出时，设计六根超导电碳黑制作的绝热导电柱均匀分布在二级圆柱体热沉的圆周上，六根引线分别在绝热导电柱一端缠绕若干圈并用Kapton胶带固定以增加热接触，绝热导电柱另一端同样由六根引线缠绕若干圈后依次缠绕在二级热沉上并用低温胶固定，以减小引线漏进的热量。
9.如权利要求8所述的低温辐射计布线方法，其特征在于，所述第三步中，二级热沉与一级热沉之间由不锈钢柱支撑连接，在不锈钢柱上设置胶木定位环，胶木定位环上开有多个均匀分布在圆环上的穿孔，穿孔中插有细铜棒；缠绕在二级热沉(3)上的引线经过一级热沉(5)引出时，缠绕在二级热沉(3)上的引线分别缠绕在胶木定位环细铜棒上靠近二级热沉(3)的一端，细铜棒靠近一级热沉(5)的一端同样将引线缠绕若干圈后依次缠绕在一级热沉(5)上并用低温胶固定，直至依次引出低温辐射计真空腔。
10.基于权利要求6-9中任一项所述的低温辐射计布线方法在光辐射功率测量技术领域中的应用。
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