CN211553065U - 一种制冷结构及单光子探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种适用于单光子探测的制冷结构，包括多个并排排列的制冷盒，每个制冷盒单独封装，每个制冷盒均包括散热器、壳体、TEC制冷器、偏压板、APD管以及光纤连接器，TEC制冷器、偏压板、APD管固定在壳体的内部，散热器固定于壳体的外部，光纤连接器通过光纤连接孔伸入制冷盒的内部，用于连接制冷盒内的APD管的光纤和制冷盒外的传输光纤。本实用新型还提供一种采用所述制冷结构的单光子探测装置。本实用新型的优点在于：多个制冷盒并排排布组成制冷结构，当某一个通道出现故障，只需拆除并维修对应的制冷盒即可，不影响其他通道，提高了产品的稳定性。

Description

一种制冷结构及单光子探测装置

技术领域

本实用新型涉及量子通信技术领域，尤其是一种适用于单光子探测的制冷结构及单光子探测装置。

背景技术

单光子探测器是量子密钥分发(QKD)系统的重要组成部分，它的作用是把传输到接收端的光量子信号转换成电信号，然后进行进一步的处理。

目前，量子密钥分发系统广泛采用基于雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器。这种类型的探测器为了适应对极弱光探测的需要，必须尽可能的降低暗噪声水平。而热激发暗噪声是随着温度降低而减小的，因此需要降低探测器的温度来提高探测器的性能。早期的单光子探测器采用液氮制冷系统，这种方法虽然制冷效率高，但使用起来很不方便，也不容易控制温度。目前实际应用中主要采用半导体制冷(TEC)的方式，这种方式体积小，且温度容易控制。另外，单光子探测器在实际工作时，要求APD两端的偏置电压高于其雪崩电压。因此需要设置一个偏压电路板为雪崩光电二极管传递电脉冲信号及提供工作条件，使其达到工作状态，再通过探测器控制电路板(相当于主控板)与其他模块传递信号。

实际中，为方便应用，常把雪崩光电二极管(APD)、半导体制冷器件和偏压电路板封装在一起，组成探测器，进而应用在量子密钥分发系统中。

基于BB84协议偏振编码的量子密钥分发系统，由于发射端根据光量子信号的4种不同偏振态来进行编码，所以接收端需要4个单光子探测器来进行探测。所以在探测器的结构设计上，一种简单易行的方案是直接使用4个独立封装的探测器，由于每个探测器都需要一个主控板进行控制，同时探测器之间需要互连通信，导致这种方法会占用较大的体积，且接线和安装复杂，维护成本高。

现有技术中使用4个独立封装探测器的缺点总结如下：

1、占用体积大，由于使用4个独立封装的探测器，每个探测器都需要一个主控板进行控制；

2、散热差，传统的探测器采取简单的风扇强迫制冷散热，对于一些被遮挡的风不易流通的区域不能有效散热；

3、接线和安装复杂，探测器之间需要通信，导致增加大量的线束，不易安装和维修；

4、成本高，多个主控板和大量的线束，增加了探测器的成本。

所以，现有技术中常用的一种方案是将四个APD封装在一个腔体中，即多通道集成式的结构，现有申请号为201921556919.3的专利《单光子探测器及其低温保温装置》公开的即为这种形式，该低温保温装置包括固定模块、半导体制冷器、电路板、压板、保温壳体、保温壳盖、第一密封圈、第二密封圈以及散热器；所述保温壳体、保温壳盖以及散热器通过所述第一密封圈和第二密封圈组成一个密闭的低温保温空间；所述一个固定模块、一个半导体制冷器以及一个电路板组成一个制冷模块，制冷模块的数量至少为两个；所述压板与所有的制冷模块内置于所述低温保温空间，压板将所有制冷模块固定于所述散热器；低温保温空间内的所有制冷模块横向排列，最外侧的两个制冷模块远离低温保温空间的边界。该低温保温装置是在一个大的腔体内将多个APD制冷模块密封，从而达到一体化的效果。

现有技术将多个雪崩光电二极管及其偏压电路板集成于一个制冷盒内，即多通道集成式的结构，其缺陷在于：

1、拆卸和维修不方便，当其中一个模块损坏，需拆除整个集成式的制冷盒，即需要把整个制冷盒的壳体拆除，壳体涉及与所有通道的偏压板、APD管等连接，因此拆除、维修、安装过程都容易对制冷盒内其他部件造成损害。

2、制冷慢，多个TEC制冷器产生的热量通过一个散热器散热，腔体大，导致制冷慢，影响雪崩光电二极管工作，特别当腔体结构不变，APD制冷模块数量低于4个时，同样的空间，数量少的制冷模块无法保证腔体内温度。

3、现有方案制冷结构无气密性验证功能，且腔体保温措施少，腔体内的温度无法保证。

4、现有方案制冷盒内部采用熔纤的方法连接光纤，该方法工艺复杂，熔纤处易损坏，可靠性不高。

5、现有方案光纤和制冷腔体连接处采用密封胶密封，该方法不易操作，且密封胶固化时间长，一般需3至5天。

6、现有方案制冷结构的灵活运用性差，当通道数量较多(超过4个)时，现有方案的结构非常笨重。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于如何保证单光子探测装置的结构紧凑同时又方便维修。

本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种制冷结构，适用于单光子探测，包括多个并排排列的制冷盒(10)，每个制冷盒(10)单独封装，每个制冷盒均包括散热器(101)、壳体(102)、TEC制冷器(103)、偏压板(104)、APD管(109)以及光纤连接器(112)，TEC制冷器(103)、偏压板(104)、APD管(109)固定在壳体(102)的内部，散热器(101)固定于壳体(102)的外部，光纤连接器(112)用于连接制冷盒(10)内的APD管(109)的光纤和制冷盒(10)外的传输光纤。

多个制冷盒并排排布组成制冷结构，当某一个通道出现故障，只需拆除并维修对应的制冷盒即可，不影响其他制冷盒内的结构，提高了产品的稳定性。

作为优化的技术方案，所述制冷结构还包括上密封圈(107)、下密封圈(113)和上盖板(106)，所述散热器(101)表面有第一凹槽(1014)，第一凹槽(1014)内放置下密封圈(113)，壳体(102)和散热器(101)连接后压紧下密封圈(113)，壳体(102)的上表面开设有第二凹槽(1027)，第二凹槽(1027)内放置上密封圈(107)，上密封圈(107)被压紧在壳体(102)的上表面和上盖板(106)之间。

作为优化的技术方案，所述壳体(102)上还设有气密检测孔(1024)，用于在制冷盒(10)装配完成后对其进行气密性检测，检测完成后用堵头(111)封堵所述气密检测孔(1024)。

本实用新型还提供一种采用如上任一方案所述制冷结构的单光子探测装置，该单光子探测装置还包括支撑结构、探测器控制电路板(30)以及散热结构，支撑结构用于固定制冷结构、散热结构、探测器控制电路板(30)，探测器控制电路板(30)用于控制整个单光子探测装置。

作为优化的技术方案，所述支撑结构包括底板(22)、左侧板(23)、右侧板(24)、前支架(25)、后支架(26)，左侧板(23)和右侧板(24)分别固定在底板(22)的左右两侧，前支架(25)和后支架(26)的左右两端分别固定在左侧板(23)和右侧板(24)上，多个制冷盒(10)并排放置于左侧板(23)和右侧板(24)以及前支架(25)和后支架(26)之间。

多个制冷盒并排排布组成单光子探测装置的制冷结构，当某一个通道出现故障，只需拆除并维修对应的制冷盒即可，这时只需要拆除掉左右侧板、前后支架等结构件，不涉及其他制冷盒，完全不影响其他通道，易安装、拆卸、维修和测试，提高了产品的稳定性。

作为优化的技术方案，所述支撑结构还包括托盘(28)，所述托盘(28)的前后端分别固定在前支架(25)和后支架(26)上，托盘(28)位于制冷盒(10)的上方，托盘(28)的上方固定探测器控制电路板(30)。

作为优化的技术方案，所述散热结构包括制冷盒散热风扇(42)、电路板散热器(44)、电路板风扇(46)，每个制冷盒(10)的前方配置一个制冷盒散热风扇(42)。

作为优化的技术方案，多个制冷盒散热风扇(42)并排放置于前支架(25)的下方，前支架(25)的下表面对应于每个制冷盒散热风扇(42)设置有卡槽(252)，制冷盒散热风扇(42)底部固定在一固定块(27)上，所述固定块(27)固定在底板(22)上，位于制冷盒(10)和前支架(25)之间。

作为优化的技术方案，所述电路板散热器(44)固定在探测器控制电路板(30)上，电路板散热器(44)上方对应每个制冷盒(10)的位置分别装有一个电路板风扇(46)。

作为优化的技术方案，所述散热结构还包括绝缘垫板(43)、第一导热垫(45)，所述绝缘垫板(43)固定在底板(22)上方，被压在制冷盒(10)和底板(22)之间，探测器控制电路板(30)和电路板散热器(44)之间安装有第一导热垫(45)。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：

1、多个制冷盒并排排布组成制冷结构，当某一个通道出现故障，只需拆除并维修对应的制冷盒即可，不影响其他通道，易安装、拆卸、维修和测试，提高了产品的稳定性。

2、对每个制冷盒以及探测器控制电路板单独设置散热结构，大大提高了系统的散热效率，从而提高了雪崩光电二极管的工作效率和探测器控制电路板的可靠性。

3、增加灵活应用性，由于每个制冷模块是独立的，所以可以根据需求组合成任意通道的探测器。

4、制冷结构设有气密性检测功能，大大保证了内部温度控制的可靠性。

5、提高了制冷盒内部的保温措施(采用气凝胶涂抹壳体保温)和外部的散热措施(散热器表面设有热管)。

6、针对探测器模块设计的散热结构，保证了制冷盒模块和探测器控制电路板的散热。

附图说明

图1是本实用新型实施例一种单光子探测装置的装配图；

图2是本实用新型实施例一种单光子探测装置的爆炸图；

图3是本实用新型实施例一种单光子探测装置中的制冷盒的装配图；

图4是本实用新型实施例一种单光子探测装置中的制冷盒的爆炸图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图1和图2所示，图1所示为探测器装置结构装配图，图2为探测器装置结构爆炸图。本实用新型一种单光子探测装置包括制冷结构、支撑结构、探测器控制电路板30以及散热结构。

制冷结构用于对雪崩光电二极管(APD)进行制冷，使雪崩光电二极管达到工作的环境要求，散热结构用于排出制冷结构产生的热量以及探测器控制电路板30产生的热量，支撑结构用于固定制冷结构、散热结构、探测器控制电路板30等结构元器件，探测器控制电路板30用于控制整个单光子探测装置。

该单光子探测装置的制冷结构包括多个并排排列的制冷盒10，多个制冷盒并排排布组成制冷结构，当某一个通道出现故障，只需拆除并维修对应的制冷盒即可，不影响其他通道。本实施例以包括4个制冷盒的探测装置为例进行说明。

请同时参阅图3和图4，图3是本实用新型一种单光子探测装置中的制冷盒的装配图；图4是本实用新型一种单光子探测装置中的制冷盒的爆炸图。所述每个制冷盒10包括散热器101、壳体102、TEC制冷器103、偏压板104、管夹固定架105、上盖板106、上密封圈107、APD管夹108、APD管109、TEC固定块110、堵头111、光纤连接器112、下密封圈113。

所述散热器101设置于壳体102的下端，散热器101的下端为散热片1011，上端通过螺钉固定于壳体102，具体的，散热器101的上表面边缘开设有螺纹孔1012，壳体102的两侧具有凸出的安装边1022，安装边1022上对应螺纹孔1012的位置开设有通孔1023，使用一螺钉(图未标示)穿过通孔1023后旋入螺纹孔1012即将散热器101与壳体102固定在一起。散热器101表面有凹槽1014，螺纹孔1012位于凹槽1014的外围，凹槽1014内放置下密封圈113，壳体102和散热器101连接后压紧下密封圈113。优选的，散热器101表面设有热管(图未示)，辅助散热，提高了制冷盒外部的散热措施。

壳体102上还设有气密检测孔1024，用于在制冷盒10装配完成后对其进行气密性检测，检测完成后用堵头111封堵所述气密检测孔1024。制冷结构设有气密性检测功能，大大保证了内部温度控制的可靠性。壳体102上还设有光纤连接孔1025，光纤连接器112通过螺钉固定在壳体102上，光纤连接器112通过光纤连接孔1025伸入制冷盒10的内部，用于连接制冷盒10内的APD管109的光纤和制冷盒10外的传输光纤。

TEC制冷器103放置在散热器101的上表面并位于TEC固定块110的下方，散热器101的上表面还开设有位于凹槽1014内圈的螺纹孔1016，TEC固定块110边缘开设有通孔1103，使用一螺钉(图未示)穿过通孔1103后旋入螺纹孔1016即将TEC制冷器103固定在TEC固定块110与散热器101之间。

APD管夹108固定在管夹固定架105上，可以通过螺钉或者卡扣等现有方式固定，APD管109和APD管夹108通过螺钉或者卡扣等现有方式固定为一体，用管夹固定架105将APD管109压接在TEC制冷器103的冷面，具体的，管夹固定架105上开设有通孔(图未示)，散热器101的上表面还开设有对应于管夹固定架105上通孔的螺纹孔，用螺钉穿过管夹固定架105上的通孔旋入散热器101上对应的螺纹孔中，即将管夹固定架105固定在散热器101上。偏压板104与APD管109连接，为其提供偏压，偏压板104的引脚与APD管109焊接在一起。所述制冷盒10的壳体102内部对应偏压板104的位置设有内侧台阶(图未示)，偏压板104容置在该内侧台阶内，并与壳体102螺丝锁固在一起。

壳体102的上表面边缘设有螺纹孔1026，上盖板106的边缘对应于螺纹孔1026开设有通孔1066，螺钉穿过上盖板106上的通孔1066旋入壳体102上对应的螺纹孔1026中，即将上盖板106固定在壳体102上。作为优化的方案，壳体102的上表面开设有凹槽1027，壳体102的上表面的螺纹孔位于凹槽1027的外围，凹槽1027内放置上密封圈107，上密封圈107被压紧在壳体102的上表面和上盖板106之间，从而起到密封的作用。

制冷盒10内填充绝热填充物，如球形泡沫或者珠光砂等，壳体102、上盖板106内外表面涂抹气凝胶绝热涂料进行隔热，提高了制冷盒内部的保温措施。

所述支撑结构包括底板22、左侧板23、右侧板24、前支架25、后支架26、固定块27以及托盘28。

左侧板23和右侧板24分别通过安装孔用螺钉固定在底板22的左右两侧，前支架25和后支架26的左右两端分别通过安装孔用螺钉固定在左侧板23和右侧板24上，4个制冷盒10并排放置于左侧板23和右侧板24以及前支架25和后支架26之间，从而4个制冷盒10的前后左右位置都被限定。固定块27用螺钉固定在底板22上，位于制冷盒10和前支架25之间，用来固定制冷盒散热风扇42。托盘28的前后端分别固定在前支架25和后支架26上，托盘28位于制冷盒10的上方，托盘28的上方固定探测器控制电路板30，具体的，托盘28上设有多个螺母柱(图未示)，探测器控制电路板30设置有对应于螺母柱的通孔，使用螺钉穿过探测器控制电路板30上的通孔旋入螺母柱内即将探测器控制电路板30固定在托盘28上。

所述探测器控制电路板30为集成探测器控制电路板，可控制多个制冷盒10。

所述散热结构包括制冷盒散热风扇42、绝缘垫板43、电路板散热器44、第一导热垫45、电路板风扇46、第二导热垫47。

每个制冷盒10的前方配置一个制冷盒散热风扇42，4个制冷盒散热风扇42并排放置于前支架25的下方，前支架25的下表面对应于每个制冷盒散热风扇42设置有卡槽252，制冷盒散热风扇42底部固定在固定块27上，前支架25固定在左侧板23和右侧板24后，即将制冷盒散热风扇42牢牢的卡在底板22上。

绝缘垫板43通过螺丝固定在底板22的上方，被压在制冷盒10和底板22之间。绝缘垫板43材料为聚四氟乙烯，该材料有导热系数低、高低温稳定性好等优点。

电路板散热器44通过螺钉固定在探测器控制电路板30上。

探测器控制电路板30和电路板散热器44之间安装有第一导热垫45。

电路板散热器44上方对应制冷盒10的位置装有4个电路板风扇46。

托盘28中设有散热块(图未示)，散热块与探测器控制电路板30之间设有第二导热垫47。

对每个制冷盒10以及探测器控制电路板30单独设置散热结构，大大提高了系统的散热效率，从而提高了雪崩光电二极管的工作效率和探测器控制电路板的可靠性。而且由于每个制冷模块是独立的，所以可以根据需求组合成任意通道的探测器。针对探测器模块设计的散热结构，保证了制冷结构和探测器控制电路板30的散热。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制冷结构，适用于单光子探测，其特征在于：包括多个并排排列的制冷盒(10)，每个制冷盒(10)单独封装，每个制冷盒均包括散热器(101)、壳体(102)、TEC制冷器(103)、偏压板(104)、APD管(109)以及光纤连接器(112)，TEC制冷器(103)、偏压板(104)、APD管(109)固定在壳体(102)的内部，散热器(101)固定于壳体(102)的外部，光纤连接器(112)连接制冷盒(10)内的APD管(109)的光纤和制冷盒(10)外的传输光纤。

2.如权利要求1所述的制冷结构，其特征在于：所述制冷结构还包括上密封圈(107)、下密封圈(113)和上盖板(106)，所述散热器(101)表面有第一凹槽(1014)，第一凹槽(1014)内放置下密封圈(113)，壳体(102)和散热器(101)连接后压紧下密封圈(113)，壳体(102)的上表面开设有第二凹槽(1027)，第二凹槽(1027)内放置上密封圈(107)，上密封圈(107)被压紧在壳体(102)的上表面和上盖板(106)之间。

3.如权利要求1所述的制冷结构，其特征在于：所述壳体(102)上还设有气密检测孔(1024)。

4.一种采用如权利要求1至3任一项所述制冷结构的单光子探测装置，其特征在于：还包括支撑结构、探测器控制电路板(30)以及散热结构，支撑结构用于固定制冷结构、散热结构、探测器控制电路板(30)。

5.如权利要求4所述的单光子探测装置，其特征在于：所述支撑结构包括底板(22)、左侧板(23)、右侧板(24)、前支架(25)、后支架(26)，左侧板(23)和右侧板(24)分别固定在底板(22)的左右两侧，前支架(25)和后支架(26)的左右两端分别固定在左侧板(23)和右侧板(24)上，多个制冷盒(10)并排放置于左侧板(23)和右侧板(24)以及前支架(25)和后支架(26)之间。

6.如权利要求5所述的单光子探测装置，其特征在于：所述支撑结构还包括托盘(28)，所述托盘(28)的前后端分别固定在前支架(25)和后支架(26)上，托盘(28)位于制冷盒(10)的上方，托盘(28)的上方固定探测器控制电路板(30)。

7.如权利要求5所述的单光子探测装置，其特征在于：所述散热结构包括制冷盒散热风扇(42)、电路板散热器(44)、电路板风扇(46)，每个制冷盒(10)的前方配置一个制冷盒散热风扇(42)。

8.如权利要求7所述的单光子探测装置，其特征在于：多个制冷盒散热风扇(42)并排放置于前支架(25)的下方，前支架(25)的下表面对应于每个制冷盒散热风扇(42)设置有卡槽(252)，制冷盒散热风扇(42)底部固定在一固定块(27)上，所述固定块(27)固定在底板(22)上，位于制冷盒(10)和前支架(25)之间。

9.如权利要求7所述的单光子探测装置，其特征在于：所述电路板散热器(44)固定在探测器控制电路板(30)上，电路板散热器(44)上方对应每个制冷盒(10)的位置分别装有一个电路板风扇(46)。

10.如权利要求9所述的单光子探测装置，其特征在于：所述散热结构还包括绝缘垫板(43)、第一导热垫(45)，所述绝缘垫板(43)固定在底板(22)上方，被压在制冷盒(10)和底板(22)之间，探测器控制电路板(30)和电路板散热器(44)之间安装有第一导热垫(45)。

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