CN203216146U - 用于大面阵天文ccd探测器深度制冷的tec电制冷结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于大面阵天文CCD探测器深度制冷的TEC电制冷结构，包括真空杜瓦，CCD探测器、TEC制冷器和散热系统，所述真空杜瓦内部设置CCD探测器和TEC制冷器，所述CCD探测器和TEC制冷器的冷端热导通，TEC制冷器的热端和散热系统连接。本实用新型使用TEC制冷方式对CCD探测器进行制冷，结构简单，体积小，质量轻，制冷速度快，且温控精度达到0.1℃，可替代复杂的液氮杜瓦制冷方式，避免使用液氮杜瓦带来的液氮耗费和每天加注液氮等日常运行、维护工作。
Description
技术领域
本实用新型应用于制冷技术领域，具体涉及一种用于大面阵天文CCD探测器深度制冷的TEC电制冷结构。
背景技术
天文学是建立在观测基础之上的科学。天文观测之初，天文学家对人眼可见的明亮的发光星体进行观测研究。随着研究的逐步深入，天文学家开始研究那些距离地球更远的、也更暗的肉眼不可见的天体，于是开始借助望远镜、乳胶相片等仪器设备来进行成像观测。
随着天文科学理论的不断发展，也大大促进了天文仪器的快速发展，尤其是对光信号响应极为灵敏的光电器件CCD探测器的诞生，甚至可以使天文学家有机会研究宇宙诞生之初情况。越是年代久远的发光天体，也意味着它们距离地球也更为遥远，光信号也就更为微弱。即使是灵敏的CCD器件，当电路中的产生过多的热噪声和暗电流时，也会把接收到的光信号淹没，得不到可研究的观测图像。为了使CCD探测器能够探测到极暗天体，传统的CCD成像设备是将CCD探测器放置在真空杜瓦中，使用液氮将温度制冷至-50℃到-100℃进行工作，能够有效的压制电路产生的暗电流和热噪声，得到高信噪比的天文图像。
液氮制冷杜瓦体积一般在200mm（圆型底座直径）*400mm（高）尺寸，甚至更大，因为液氮腔体要设计的足够大，一般能够装载2升左右的液氮能保证一个观测夜的制冷需求，而且白天需要继续添加液氮来准备下一个观测夜。液氮杜瓦从常温到把CCD从制冷到-70℃，大概需要4个小时，同样要使CCD升温也是如此。因此液氮杜瓦CCD设备在系统复杂性、维护工作量、维护耗费上，都要付出很大代价，尤其是在较多CCD成像系统的望远镜，日常运行和维护都极具挑战。
实用新型内容
本实用新型解决的技术问题是提供一种用于大面阵天文CCD探测器深度制冷的TEC电制冷结构，该结构使用TEC制冷方式对CCD进行制冷，结构简单，体积小，质量轻，制冷速度快，且温控精度达到0.1℃，可替代复杂的液氮杜瓦制冷方式，避免使用液氮杜瓦带来的液氮耗费和每天加注液氮等日常运行、维护工作。
为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种用于大面阵天文CCD探测器深度制冷的TEC电制冷结构，包括真空杜瓦，CCD探测器、TEC制冷器和散热系统，所述真空杜瓦内部设置CCD探测器和TEC制冷器，所述CCD探测器和TEC制冷器的冷端热导通，TEC制冷器的热端和散热系统连接。
优选地，所述散热系统设置在真空杜瓦的内部或外部。
优选地，所述散热系统采用真空杜瓦内置水冷系统或者真空杜瓦外置风冷系统。
优选地，所述水冷系统设置在真空杜瓦的内部，由隔热材料固定支撑。
优选地，所述风冷系统通过热沉结构与真空杜瓦连接。
优选地，所述热沉结构采用散热片,风冷系统设置风扇与散热片连接。
优选地，所述TEC制冷器采用多级TEC制冷片。
优选地，所述TEC制冷器的电路连接温控器对CCD温度时时监测,通过精确调节TEC输入电流和电压达到精确控温，温控精度达到0.1℃。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
1）本实用新型对于4K*4K像素，像素尺寸15um的大面阵CCD，经实验室证明可在30-60分钟内使CCD探测器温度从环境温度（25oC）降至-50oC，特殊设计可低于-70oC，制冷温度精度达到0.1oC。从而有效抑制CCD探测器电路当中产生的暗电流和热噪声等指标，尤其是在NIMO【non inverted mode operation】型CCD进行快速曝光观测或者IMO【inverted operation】型CCD长曝光观测时，在CCD温度低于-50oC时使得这些与温度相关的暗电流指标接近为0，从而得到高信噪比的暗天体图像。实现了制冷绝对温度低于-50oC，相对温差接近100oC的功能，对大面阵CCD探测器制冷深度大，速度快。
2）本实用新型快速的制冷方式在IMO【inverted operation】型CCD设备使用中够完全替代传统的液氮制冷方式，即使在非NIMO【non inverted modeoperation】型CCD设备短曝光工作状态下也可替代液氮制冷方式。本方法大大简化了杜瓦系统的结构、体积和质量，尤其是在设备运行和维护阶段，消除运行维护人员了每天必须添加液氮的工作量，并省去了设备运行时液氮耗费。
3)如无特殊要求，使用本实用新型的CCD真空杜瓦体积不超过100mmx100mm圆柱形，结构简单，体积小，质量小。
4）本实用新型TEC制冷方案只需在通电情况下，即可达到实现功能，无须日常特别维护和电力之外的其它耗费，运行和维护简单。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图.
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步描述：
实施例1
如图1所示，本实施例包括真空杜瓦1，CCD探测器2、TEC制冷器3和散热系统4，所述真空杜瓦1内部设置CCD探测器2和TEC制冷器3，所述TEC制冷器3采用三级TEC制冷片，所述CCD探测器2和TEC制冷器3的冷端热导通，TEC制冷器3的热端和散热系统4连接。
为了防止由气体对流导致的热交换，保证对CCD探测器2的制冷效率，节约冷量，首先将真空杜瓦1抽成10E-4mbar以上的真空度，这样就有效杜绝了气体对流导致的冷量损耗；其次散热系统4采用设置在真空杜瓦1的内部的水冷系统，为了减少直接传导导致的热交换，TEC制冷结构使用热阻高的隔热材料固定与支撑，如聚四氟材料，使产生热量不能直接传递到真空杜瓦1的腔体,保持真空杜瓦1的腔体与环境温度一致性，减少冷端能量直接耗散和热端热量直接传递；另外，将TEC制冷器3的冷端和CCD探测器2直接或用高效导热材料连接，TEC制冷器3的热端和散热系统4直接或用高效导热材料连接，散热系统4用冷却水给TEC制冷器3散热。
如此，TEC制冷器3通电可以在30-60分钟将大面积CCD探测器2的温度快速降低到-50℃以下，同时TEC制冷器3热端的热量直接由水路快速带走，真空杜瓦1内无热量累积，能够使TEC达到尽可能大的冷热端温差，实现了对CCD探测器2的高效、深度制冷，有效降低了CCD与温度相关热噪声和暗电流等指标，保证成像焦面无气体对流干扰像质，适用于高精度测光，使CCD探测器2能够探测到更远、更暗天体。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于，如图2所示，所述散热系统4采用外置风冷系统，通过热沉结构将真空杜瓦1密封,并与真空杜瓦1连接。优选地，所述热沉结构采用散热片,风冷系统设置风扇6与散热片7连接，所述TEC制冷器3采用四级制冷片，其热端和散热片7连接，冷端和CCD探测器2连接，将真空杜瓦1抽成10E-5mbar以上真空度，给TEC制冷器3和风扇6通电，TEC制冷器3热端产生的热量通过散热片7和风扇6带走，可以快速将大面阵CCD探测器2快速降低到-50℃以下，使大面积CCD探测器电路中的暗电流和热噪声就会得到有效的压制，会得到高信噪比的天体图像。
本实用新型上述实施例仅为本专利较好的实施方式，凡采用本技术方案描述的构造、特征及在其精神原理上的变化、修饰均属于本专利的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于大面阵天文CCD探测器深度制冷的TEC电制冷结构，其特征在于，包括真空杜瓦，CCD探测器、TEC制冷器和散热系统，所述真空杜瓦内部设置CCD探测器和TEC制冷器，所述CCD探测器和TEC制冷器的冷端热导通，TEC制冷器的热端和散热系统连接。
2.根据权利要求1所述的用于大面阵天文CCD探测器深度制冷的TEC电制冷结构，其特征在于，所述散热系统设置在真空杜瓦的内部或外部。
3.根据权利要求2所述的用于大面阵天文CCD探测器深度制冷的TEC电制冷结构，其特征在于，所述散热系统采用真空杜瓦内置水冷系统或者真空杜瓦外置风冷系统。
4.根据权利要求3所述的用于大面阵天文CCD探测器深度制冷的TEC电制冷结构，其特征在于，所述水冷系统设置在真空杜瓦的内部，由隔热材料固定支撑。
5.根据权利要求3所述的用于大面阵天文CCD探测器深度制冷的TEC电制冷结构，其特征在于，所述风冷系统通过热沉结构与真空杜瓦连接。
6.根据权利要求5所述的用于大面阵天文CCD探测器深度制冷的TEC电制冷结构，其特征在于，所述热沉结构采用散热片,风冷系统设置风扇与散热片连接。
7.根据权利要求1所述的用于大面阵天文CCD探测器深度制冷的TEC电制冷结构，其特征在于，所述TEC制冷器采用多级TEC制冷片。
8.根据权利要求1所述的用于大面阵天文CCD探测器深度制冷的TEC电制冷结构，其特征在于，所述TEC制冷器的电路连接温控器。
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