CN114518680A - 用于爱因斯坦探针卫星的fxt聚焦相机制冷链路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，包括：探测器机盒和热控结构，探测器机盒包括屏蔽盒和焦平面探测器盒，焦平面探测器盒设置在屏蔽盒的内部并与屏蔽盒隔热安装，焦平面探测器盒内部设有焦平面探测器，其挠性板从屏蔽盒前端伸出与探测器机箱连接；屏蔽盒包括屏蔽盒上盖和屏蔽盒底盖，屏蔽盒的左右两侧分别设有左堵头和右堵头，屏蔽盒上盖依次设有前堵头，后堵头和限光阀，后堵头与限光阀固定连接，左堵头的侧面设有蓄冷器密封套筒，蓄冷器密封套筒内设有蓄冷器管，右堵头一侧设置有氮气管路接头。本发明最大限度减小了焦平面探测器盒与屏蔽盒的导热漏热和辐射漏热，有效降低仪器本底，减少了探测器的辐照损伤。

Description

用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构
技术领域
本发明属于空间天文观测技术领域，特别涉及一种用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构。
背景技术
爱因斯坦探针卫星（EP）是一颗面向未来时域天文学和高能天体物理的天文探测卫星。EP卫星的有效载荷包括一台大视场的软X 射线监视器和一台X 射线望远镜（FXT）。FXT望远镜用于在第一时间对监视器发现的暂现源进行深度后随观测，对其它设备发现的机遇目标展开观测。FXT望远镜为了实现对目标X射线源的观测，采用传统的嵌套式掠入射聚焦望远镜的构型，再由PNCCD作为焦平面探测器进行X射线光子的读出，由于FXT焦平面探测器工作温度-90℃±0.5℃，为保证FXT探测器的工作温度，FXT聚焦相机下端需安装制冷链路组件，以便于对整个传热链路进行散热。而现有的FXT聚焦相机下端的制冷组件对探测器的制冷效果并不理想，难以保证FXT探测器的工作温度，进而影响探测器的读出速度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，以解决现有FXT聚焦相机下端的制冷组件对探测器的制冷效果不理想，难以保证FXT探测器的工作温度，影响探测器读出速度的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，包括：
探测器机盒和热控结构，探测器机盒与热控结构固定连接，其中探测器机盒包括屏蔽盒和焦平面探测器盒，焦平面探测器盒设置在屏蔽盒的内部，并与屏蔽盒隔热安装，焦平面探测器盒内部设置有焦平面探测器，焦平面探测器的挠性电路板从屏蔽盒的前端伸出并与探测器机箱连接；
其中屏蔽盒包括屏蔽盒上盖和屏蔽盒底盖，屏蔽盒上盖与屏蔽盒底盖通过螺栓固定连接，屏蔽盒的左右两侧分别设置有左堵头和右堵头，屏蔽盒上盖依次设置有前堵头，后堵头和限光阀，后堵头与限光阀的一侧固定连接，其中左堵头的侧面设置有蓄冷器密封套筒，蓄冷器密封套筒内设置有蓄冷器管，与右堵头相邻一侧设置有氮气管路接头，氮气管路接头与氮气管路相连接。
根据本发明的一个具体实施例，热控结构包括制冷机，辐射板和滤光转轮，制冷机与探测器机盒分别固定安装在滤光转轮的下方，制冷机的冷指冷端与焦平面探测器盒紧密连接，制冷机的冷指热端通过热管连接至辐射板。
根据本发明的一个具体实施例，滤光转轮与探测器机盒的接触面上设置有钛合金修垫和隔热垫，用于将探测器机盒与周边组件热隔离。
根据本发明的一个具体实施例，屏蔽盒的前方侧壁固定连接有挠性板固定夹，焦平面探测器的挠性电路板通过挠性板固定夹固定。
根据本发明的一个具体实施例，焦平面探测器盒包括探测器盒上盖和探测器盒底盖，探测器盒上盖与探测器底盖通过螺钉固定连接，焦平面探测器的上表面设置有冷头，焦平面探测器的冷头通过螺栓与探测器盒上盖固定连接。
根据本发明的一个具体实施例，探测器盒上盖的上表面设置有四个玻璃钢三角隔热支架，四个玻璃钢三角隔热支架沿探测器盒上盖的边缘固定连接，玻璃钢三角隔热支架的内侧固定连接有探测器盒转接法兰，焦平面探测器盒通过探测器盒转接法兰与屏蔽盒固定连接。
根据本发明的一个具体实施例，焦平面探测器盒的外表面和屏蔽盒的内表面均设有镀金层。
根据本发明的一个具体实施例，限光阀包括限光阀支架盖，限光阀支架和限光阀底托，限光阀支架盖设置在限光阀支架的顶部，并通过螺栓与限光阀支架固定连接，限光阀底托设置在限光阀支架的底部，并通过螺栓与限光阀支架固定连接，限光阀支架的内侧壁四周设置有铝屏蔽层和铍屏蔽层，且铍屏蔽层位于限光阀支架与铝屏蔽层之间。
根据本发明的一个具体实施例，焦平面探测器盒的材质为铝合金。
根据本发明的一个具体实施例，屏蔽盒的材质为无氧铜。
与现有技术相比，本发明提供的一种用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，内部通过制冷机对探测器进行制冷，保证探测器低温工作温度并通过隔热设计最大程度减小探测器机盒漏热，外部通过被动散热的热管-辐射板散热组合将制冷产生的热量排散至空间环境。本发明设计的探测器机盒为pn-CCD提供了良好的空间力、热和物理安装环境，通过在探测器盒与屏蔽盒之间设置玻璃钢三角隔热支撑，并对探测器盒外表面和屏蔽盒内表面镀金，可最大限度减小焦平面探测器盒与屏蔽盒的导热漏热和辐射漏热，本发明设置的屏蔽盒能够屏蔽带电粒子及弥散X射线背景，可有效降低仪器本底，还可减少探测器的辐照损伤，该FXT聚焦相机制冷链路结构对探测器的制冷效果好，保证了FXT探测器的工作温度。
附图说明
图1是根据本发明一实施例提供的FXT聚焦相机制冷链路结构连接示意图。
图2是根据本发明一实施例提供的探测器机盒爆炸图。
图3是根据本发明一实施例提供的FXT聚焦相机制冷链路内部结构示意图。
图4是根据本发明一实施例提供的FXT聚焦相机制冷链路内部结构俯视图。
图5是根据本发明一实施例提供的探测器机盒与滤光转轮连接示意图。
图6是根据本发明一实施例提供的焦平面探测器盒与屏蔽盒的连接示意图。
图7是根据本发明一实施例提供的焦平面探测器盒与焦平面探测器连接示意图。
图8是根据本发明一实施例提供的焦平面探测器结构示意图。
图9是根据本发明一实施例提供的限光阀结构示意图。
附图标记：
1-制冷机；2-屏蔽盒；3-焦平面探测器盒；4-焦平面探测器；5-滤光转轮；6-探测器机箱；7-蓄冷器管；
101-冷指热端；102-冷指冷端；
201-蓄冷器管密封接头；202-左堵头；203-前堵头；204-后堵头；205-限光阀；206-屏蔽盒上盖；207-右堵头；208-屏蔽盒底盖；209-氮气管路接头；210-螺栓；211-挠性板固定夹；212-蓄冷器密封套筒；
301-探测器盒上盖；302-探测器盒底盖；303-玻璃钢三角隔热支架；304-探测器盒转接法兰；
401-冷头；402-挠性电路板；403-电缆接头；
205.1-限光阀支架盖；205.2-限光阀支架；205.3-限光阀底托。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更加清楚地理解本发明的概念和思想，以下结合具体实施例详细描述本发明。应理解，本文给出的实施例都只是本发明可能具有的所有实施例的一部分。本领域技术人员在阅读本申请的说明书以后，有能力对下述实施例的部分或整体作出改进、改造、或替换，这些改进、改造、或替换也都包含在本发明要求保护的范围内。
在本文中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分。在本文中，术语“一”、“一个”和其它类似词语并不意在表示只存在一个事物，而是表示有关描述仅仅针对事物中的一个，事物可能具有一个或多个。在本文中，术语“包含”、“包括”和其它类似词语意在表示逻辑上的相互关系，而不能视作表示空间结构上的关系。例如，“A包括B”意在表示在逻辑上B属于A，而不表示在空间上B位于A的内部。另外，术语“包含”、“包括”和其它类似词语的含义应视为开放性的，而非封闭性的。例如，“A包括B”意在表示B属于A，但是B不一定构成A的全部，A还可能包括C、D、E等其它元素。
在本文中，术语“实施例”、“本实施例”、“一实施例”、“一个实施例”并不表示有关描述仅仅适用于一个特定的实施例，而是表示这些描述还可能适用于另外一个或多个实施例中。本领域技术人员应理解，在本文中，任何针对某一个实施例所做的描述都可以与另外一个或多个实施例中的有关描述进行替代、组合、或者以其它方式结合，替代、组合、或者以其它方式结合所产生的新实施例是本领域技术人员能够容易想到的，属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施方式的实践了解到。结合图1-图9，本发明实施例提供了一种用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，包括：
探测器机盒和热控结构，探测器机盒与热控结构固定连接，其中热控结构还包括制冷机1，辐射板和滤光转轮5，制冷机1与探测器机盒分别固定安装在滤光转轮5的下方，制冷机1的冷指冷端102与焦平面探测器盒3紧密连接，用于实现低温制冷，制冷机1的冷指热端101通过热管连接至辐射板，用于对整个传热链路进行散热。探测器机盒包括屏蔽盒2和焦平面探测器盒3，主要为焦平面探测器pn-CCD提供良好的空间力、热和物理安装环境，焦平面探测器盒3设置在屏蔽盒2的内部，并与屏蔽盒2隔热安装，焦平面探测器盒3内部设置有焦平面探测器4，焦平面探测器4的挠性电路板从屏蔽盒2的前端伸出并与探测器机箱6连接。本发明实施例中的FXT聚焦相机制冷链路结构设计主要包含内、外两个部分，内部通过制冷机1对探测器进行制冷，保证探测器低温工作温度并通过隔热设计尽量减小探测器机盒漏热，外部通过被动散热将制冷产生的热量通过热管-辐射板散热组合排散至空间环境。
具体的，屏蔽盒2包括屏蔽盒上盖206和屏蔽盒底盖208，屏蔽盒上盖206与屏蔽盒底盖208通过螺栓210固定连接，屏蔽盒2的左右两侧分别设置有左堵头202和右堵头207，屏蔽盒上盖206依次设置有前堵头203，后堵头204和限光阀205，后堵头204与限光阀205的一侧固定连接，限光阀205位于焦平面探测器4的上方，限光阀205包括限光阀支架盖205.1，限光阀支架205.2和限光阀底托205.3，限光阀支架盖205.1设置在限光阀支架205.2的顶部，并通过螺栓与限光阀支架205.2固定连接，限光阀底托205.3设置在限光阀支架205.2的底部，并通过螺栓与限光阀支架205.2固定连接，限光阀支架205.2的内侧壁四周设置有铝屏蔽层和铍屏蔽层，且铍屏蔽层位于限光阀支架与铝屏蔽层之间。左堵头202的侧面设置有蓄冷器密封套筒212，蓄冷器密封套筒212内设置有蓄冷器管7，与右堵头207相邻一侧设置有氮气管路接头209，用于与氮气管路相连接。氮气管路接头209采用聚酰亚胺材质与屏蔽盒2转接，并与焦平面探测器盒3小间隙配合，以减小漏热。屏蔽盒2用于屏蔽带电粒子及弥散X射线背景，可有效降低仪器本底，还可减少探测器的辐照损伤，因此其对材料选择和加工精度要求非常高。本发明实施例的屏蔽盒2通过探测器盒转接法兰304密封安装在滤光转轮5的正下方，内部安装焦平面探测器盒3，为探测器提供屏蔽的物理环境，探测器通过它实现屏蔽、防污染和制冷链路的供应。为实现更好的屏蔽同时减重，本发明实施例的屏蔽盒2外轮廓219mm×159.5mm×70mm，屏蔽盒上盖206最厚33mm，四周11mm，最薄6mm，屏蔽盒底盖208最厚在探测器底部15mm，四周13mm，最薄5mm，从中心向边缘逐渐减薄。屏蔽盒2的材料选用无氧铜，内表面抛光并镀金，重量约10公斤。
具体的，屏蔽盒2的前方侧壁固定连接有挠性板固定夹211，焦平面探测器4的挠性电路板通过挠性板固定夹211固定。本发明实施例的焦平面探测器pn-CCD由德国MPE提供，主要包括冷头401、挠性电路板402和电缆接头403，工作温度为-90±0.5℃。此外，制冷机脉冲管外套装有聚酰亚胺材质的防漏气堵头，其两端分别密封连接至屏蔽盒2和制冷机的冷指热端101，防漏气堵头不与冷指冷端102直接接触，避免漏热。
具体的，焦平面探测器盒3包括探测器盒上盖301和探测器盒底盖302，探测器盒上盖301与探测器底盖302通过螺钉固定连接，焦平面探测器4的上表面设置有冷头401，焦平面探测器4的冷头401通过螺栓与探测器盒上盖301固定连接。探测器盒上盖301的上表面设置有四个玻璃钢三角隔热支架303，四个玻璃钢三角隔热支架303沿探测器盒上盖301的边缘固定连接，玻璃钢三角隔热支架303的内侧固定连接有探测器盒转接法兰304，焦平面探测器盒4通过探测器盒转接法兰304与屏蔽盒2固定连接。焦平面探测器盒3的外表面和屏蔽盒2的内表面均设有镀金层。通过设置玻璃钢三角隔热支架303，并对探测器盒外表面和屏蔽盒内表面镀金，能够最大限度减小焦平面探测器盒3与屏蔽盒2的导热漏热和辐射漏热。制冷机1的冷指冷端102穿过屏蔽盒2与焦平面探测器盒3连接。为了减小冷指穿过屏蔽盒开孔引起漏气，在制冷机脉冲管外安装聚酰亚胺堵头。制冷机1的冷指冷端102穿过屏蔽盒2与焦平面探测器盒3连接，保证了制冷机与探测器之间热链路的传递。
具体的，为实现焦平面探测器盒3的精确降温，焦平面探测器盒3的材质选用铝合金，探测器的冷头选用钛合金，设计完全一致的负公差配合，在热胀冷缩状态下，不同的热膨胀系数使得焦平面探测器盒与冷头紧密接触。将制冷机的冷指冷端与焦平面探测器盒一侧安装，保证制冷机与焦平面探测器盒良好的热通路，实现探测器-90℃的工作温度需求。本发明实施例的焦平面探测器盒整体由铝合金加工而成，内表面发黑外表面镀金，外轮廓尺寸为148mm×90mm×30mm，最薄厚度1mm，最厚8mm，与pn-CCD最小间距为1mm，焦平面探测器盒总重约1公斤。
具体的，滤光转轮5与探测器机盒的接触面上设置有钛合金修垫和隔热垫，用于将探测器机盒与周边组件热隔离。为充分保证探测器机盒与周边组件的热隔离状态，避免卫星平台舱对下端组件漏热影响，在滤光转轮5与探测器机盒安装面用钛合金修搓垫隔热，同时滤光转轮内部发黑处理，保证较高的表面发射率。
具体的，制冷机的冷指冷端102通过与焦平面探测器盒3的直接接触传热，实现对焦平面探测器4的主动热控，为避免探测器盒上下盖的接触热阻，将制冷机的冷指冷端完全与焦平面探测器盒3的上盖紧密安装，通过与上盖紧密接触的冷指冷端传递给探测器，缩短了热链路，同时为保证接触面积，最大化探测器盒侧面的整个区域，使得冷指冷端尺寸达到69mm×15mm。制冷机的冷指冷端102与焦平面探测器盒3的上盖用6个M3的螺钉固定。制冷机的冷指冷头102连管直径φ14.8mm，其工作温度低于-90℃，屏蔽盒2的温度约0℃，冷指冷头102直接与焦平面探测器盒3连接，屏蔽盒2开孔φ23mm，但是此开孔是直接与外部空间连通的，为给探测器提供密封的相对洁净环境，综合考虑防污染、防多余物、防漏光等因素，此处设计密封套筒接口，用于将屏蔽盒2与冷指热端101接触，既封闭了开孔，也没有与冷头接触，密封套筒材料选择聚酰亚胺。套筒内径φ21mm与蓄冷器管7单边间隙3mm，套筒上端与屏蔽盒上盖206螺钉连接，套筒下端与屏蔽盒底盖208止口连接，同时安装完成后套筒上端将下端压紧在相应的位置，同时冷指热端101设计3mm止口凸台，对套筒尾端起到限位及密封作用。
综上所述，本发明提供的一种用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，内部通过制冷机对探测器进行制冷，保证探测器低温工作温度并通过隔热设计最大程度减小探测器机盒漏热，外部通过被动散热的热管-辐射板散热组合将制冷产生的热量排散至空间环境。本发明设计的探测器机盒为pn-CCD提供了良好的空间力、热和物理安装环境，通过在探测器盒与屏蔽盒之间设置玻璃钢三角隔热支撑，并对探测器盒外表面和屏蔽盒内表面镀金，可最大限度减小焦平面探测器盒与屏蔽盒的导热漏热和辐射漏热，本发明设置的屏蔽盒能够屏蔽带电粒子及弥散X射线背景，可有效降低仪器本底，还可减少探测器的辐照损伤，该FXT聚焦相机制冷链路结构对探测器的制冷效果好，保证了FXT探测器的工作温度。
以上结合具体实施方式（包括实施例和实例）详细描述了本发明的概念、原理和思想。本领域技术人员应理解，本发明的实施方式不止上文给出的这几种形式，本领域技术人员在阅读本申请文件以后，可以对上述实施方式中的步骤、方法、系统、部件做出任何可能的改进、替换和等同形式，这些改进、替换和等同形式应视为落入在本发明的范围内，本发明的保护范围仅以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，其特征在于，包括：
探测器机盒和热控结构，所述探测器机盒与所述热控结构固定连接，其中所述探测器机盒包括屏蔽盒和焦平面探测器盒，所述焦平面探测器盒设置在所述屏蔽盒的内部，并与所述屏蔽盒隔热安装，所述焦平面探测器盒内部设置有焦平面探测器，所述焦平面探测器的挠性电路板从所述屏蔽盒的前端伸出并与探测器机箱连接；
其中所述屏蔽盒包括屏蔽盒上盖和屏蔽盒底盖，所述屏蔽盒上盖与所述屏蔽盒底盖通过螺栓固定连接，所述屏蔽盒的左右两侧分别设置有左堵头和右堵头，所述屏蔽盒上盖依次设置有前堵头，后堵头和限光阀，所述后堵头与所述限光阀的一侧固定连接，其中所述左堵头的侧面设置有蓄冷器密封套筒，所述蓄冷器密封套筒内设置有蓄冷器管，与所述右堵头相邻一侧设置有氮气管路接头，所述氮气管路接头与氮气管路相连接。
2.根据权利要求1所述的用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，其特征在于，所述热控结构包括制冷机，辐射板和滤光转轮，所述制冷机与所述探测器机盒分别固定安装在滤光转轮的下方，所述制冷机的冷指冷端与所述焦平面探测器盒紧密连接，所述制冷机的冷指热端通过热管连接至所述辐射板。
3.根据权利要求2所述的用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，其特征在于，所述滤光转轮与所述探测器机盒的接触面上设置有钛合金修垫和隔热垫，用于将所述探测器机盒与周边组件热隔离。
4.根据权利要求1所述的用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，其特征在于，所述屏蔽盒的前方侧壁固定连接有挠性板固定夹，所述焦平面探测器的挠性电路板通过所述挠性板固定夹固定。
5.根据权利要求1所述的用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，其特征在于，所述焦平面探测器盒包括探测器盒上盖和探测器盒底盖，所述探测器盒上盖与所述探测器底盖通过螺钉固定连接，所述焦平面探测器的上表面设置有冷头，所述焦平面探测器的冷头通过螺栓与所述探测器盒上盖固定连接。
6.根据权利要求5所述的用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，其特征在于，所述探测器盒上盖的上表面设置有四个玻璃钢三角隔热支架，四个所述玻璃钢三角隔热支架沿所述探测器盒上盖的边缘固定连接，所述玻璃钢三角隔热支架的内侧固定连接有探测器盒转接法兰，所述焦平面探测器盒通过所述探测器盒转接法兰与所述屏蔽盒固定连接。
7.根据权利要求1所述的用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，其特征在于，所述焦平面探测器盒的外表面和所述屏蔽盒的内表面均设有镀金层。
8.根据权利要求1所述的用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，其特征在于，所述限光阀包括限光阀支架盖，限光阀支架和限光阀底托，所述限光阀支架盖设置在所述限光阀支架的顶部，并通过螺栓与所述限光阀支架固定连接，所述限光阀底托设置在所述限光阀支架的底部，并通过螺栓与所述限光阀支架固定连接，所述限光阀支架的内侧壁四周设置有铝屏蔽层和铍屏蔽层，且所述铍屏蔽层位于所述限光阀支架与所述铝屏蔽层之间。
9.根据权利要求1所述的用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，其特征在于，所述焦平面探测器盒的材质为铝合金。
10.根据权利要求1所述的用于爱因斯坦探针卫星的FXT聚焦相机制冷链路结构，其特征在于，所述屏蔽盒的材质为无氧铜。
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