微型低温制冷技术的现状和发展趋势

介绍了目前典型的军用第二代、第三代焦平面探测器杜瓦制冷机组件中斯特林制冷机和节流制冷器的应用情况,从焦平面探测器芯片探测元尺寸的变化,提出了配接制冷机的冷指尺寸的变化,介绍了昆明物理研究所微型低温制冷技术的发展现状及微型低温制冷机向高可靠性、低成本、高工作温度的发展趋势。     

低温光学用杜瓦柔性外壳结构热力特性研究

为了满足低温光学系统低背景、低功耗和红外探测器制冷组件高环境适应性的要求,提出了探测器制冷组件杜瓦主体（窗口、窗口帽和引线盘） 200 K低温保持,与制冷机膨胀机或脉管散热面柔性绝热连接的设计思想。针对低温光学用杜瓦柔性外壳工程应用中的特点,文中以某低温光学用长波12.5 μm 2 000元红外探测器杜瓦组件以例,提出了波纹管作为绝热连接的柔性外壳,重点阐述杜瓦柔性波纹管隔热、力学和相关漏热的设计,并开展不同热负载条件下波纹管热特性验证,可实现最小温度梯度为37.22 K,绝热热阻为1142 K/W,误差在37%。为综合评价低温光学用柔性外壳结构杜瓦组件的性能,对某低温光学用长波12.5 μm 2 000元探测器柔性外壳杜瓦组件开展热真空和鉴定级的力学试验考核验证,试验结果表明实现了200 K低温窗口,探测器60 K工作,杜瓦漏热为544 mW,低温工况工作时相对于常温工况制冷机的功耗下降了53%,并通过了4 g的随机力学考核,验证了低温光学用杜瓦柔性波纹管外壳模型合理可行,对于后续低温光学用杜瓦柔性外壳结构工程应用提供了重要参考。     

微型节流制冷器启动时间的理论分析

为了减少红外用微型节流制冷器的启动时间,采用带有预冷级的节流制冷器.用预冷级对制冷级进行预冷,让制冷级在发生节流前的温度更低,从而使其发生节流制冷后能更快到达红外探测器的工作温度,缩短启动时间.通过分析单级节流制冷器和带有预冷级快速节流制冷器的工作原理,阐明了带有预冷级节流制冷器启动快的原因,实验结果表明,在采用相同的制冷工质时,采用带有预冷级的节流制冷器启动时间比单级快.在今后的工作中,制冷级和预冷级分别采用不同的制冷工质,将会取得更好的效果.     

分置式斯特林制冷机耦合间隙对探测器性能的影响

分置式斯特林制冷机作为红外探测器组件的重要组成部分,在实际应用中对红外探测器组件的性能影响较大。其中,分置式斯特林制冷机与杜瓦耦合时的耦合间隙是对红外探测器组件的性能影响最大的因素之一。因此针对二者的耦合间隙对探测器性能的影响进行了实验研究。当芯片温度为75 K且制冷机的冷头温度为70 K时,模拟仿真冷指与杜瓦的变形量,耦合间隙变形为0.0096 mm。低温环境对制冷机冷指与杜瓦变形的影响较小,可以忽略冷指与杜瓦变形对耦合间隙的影响。实验结果表明,红外探测器组件的降温时间随耦合间隙的增大而逐渐增大。随着时间的逐渐增大,不同耦合间隙对应的直流电流也各不相同。同一时刻下,耦合间隙越小,直流电流就越小。二极管电压随时间的增加呈现出逐渐增大并逐渐平稳的状态。在达到控温状态前,同一时刻下,耦合间隙越小,二极管电压越大。     

用于空间BIB探测器的0.3 W@4.2 K大冷量轻量化低温系统

大阵列BIB探测器由于其高量子效率和低暗电流而成为广泛的研究对象,特别是在空间应用方向。如2021年发射的詹姆斯韦伯太空望远镜,它已经进行了许多重要的天文观测。一个稳定、高效、轻量化的液氦温区低温系统对BIB探测器的运行至关重要。氦节流制冷机可取代传统的大容积液氦杜瓦,能满足空间液氦温区的制冷要求。为了同时提高4.2 K的制冷量并减轻重量,提出了一种0.3 W@4.2 K的大冷量轻量化的4.2 K低温制冷系统。并且在现有0.1 W@4.1 K制冷量的低温系统上进行实验,验证了该系统的设计方法。在不同的冷却温度区采用不同的冷却方法,以实现冷却的高效性和轻便性。开发了一个新的集成斯特林制冷机,在80 K时提供高效的一级预冷,制冷量为15 W,重量仅为4.5 kg;二级预冷采用主动活塞调相的15 K脉管制冷机,制冷量为0.9 W。此多级低温制冷系统通过耦合氦气JT循环,可以在4.2 K时提供0.3 W的制冷量,输入功低于1.8 kW。此系统将为正在快速发展的红外天文观测所需的空间BIB探测器提供保障。     

用于红外系统的新一代分置闭循环制冷器

——不幸的是,至今闭循环制冷器无论是对使用者还是对制造者来说,仍然是红外系统中的薄弱环节。当使用这种制冷器时,它最多只能连续工作几百小时,所以红外系统的性能不得不因它而减低了。本文着重讨论斯特林循环制冷器工艺方面的技术进展,这将逐渐使军用制冷器的面貌为之一新。这里重点讨论最新研制出来的一系列平均无维修故障时间长的分置闭循环制冷器。阐述这些制冷器在技术上的演变,其中包括美国研制的平均无维修故障时间长达几年的卫星系统用斯特林制冷器以及荷兰研制的UA7011制冷器 (首批一次性、军用制冷器)。还讨论三台新型制冷机。检验其中两台平均无维修故障时间至少有2500小时,标准制冷量在80K温度下为1/4瓦和1瓦的线谐振自由排出器斯特林制冷机。第三台制冷机是经过改进的,制冷量在80K温度下为1/4瓦的最新斯特林机,它的自由排出器是经改进了的,但压缩器仍利用曲轴驱动。所有三台制冷机都可配装美国标准的60元和120/180元探测器/杜瓦瓶。文中详尽地讨论了上述制冷器中的线谐振压缩机和自由排出器膨胀器的技术,以使读者清楚了解它们的优越性能。     

节流孔至冷头距离对制冷器启动时间的影响北大核心CSCD

为提升快速启动探测器的响应能力,研究了节流孔至杜瓦冷头距离对制冷器启动时间的影响。在节流孔直径、热交换器长度和形态一致的情况下,节流孔距离杜瓦冷头距离越近,启动时间越快。当制冷工质为氩气时,20 MPa是一个拐点压力。当供气压力在20 MPa以下时,节流孔至杜瓦冷头距离对启动时间影响更加显著,启动时间差距可达十几秒。当供气压力高于20 MPa时,不同的节流孔至杜瓦冷头距离导致的启动时间差基本都在2 s以内。当制冷工质为氮气时,拐点压力为30 MPa,启动时间的相关规律和氩气工质类似。本文研究结果对改进快速启动制冷器设计有一定的参考意义。     

40 K双波段长波探测器冷箱封装技术研究

冷光学技术是弱目标及多光谱红外探测的重要支撑技术。为了实现低温光学系统温度精确控制和防污染,一般多将低温光学与探测器集成在冷箱内。某高光谱相机需要1个320×64量子阱探测器和1个320×64 II类超晶格探测器共面拼接,集成双波段微型滤光片,形成长波双波段探测杜瓦组件,探测器工作所需的40 K低温环境由脉管制冷机提供。杜瓦采用无窗口设计,并通过柔性波纹管将杜瓦外壳与冷箱外壳集成,以实现气密性集成和光校调节。针对40 K温区双波段探测器封装的三维拼接、探测器及滤光片的低应力封装、制冷机与探测器的高效热传输等难点,对探测器的三维拼接、40 K温区高效热传输、探测器低应力集成的热层结构、低应力滤光片支撑、杜瓦与制冷机耦合等进行研究,创新性提出了三点Z向调节拼接方法、探测器Al₂O₃载体复合钼基板和钼冷平台的热层结构、双波段滤光片集成的钼支撑结构、带应力隔离的冷平台与制冷机过盈装配的耦合方法,最终实现了40 K温区下双波段探测器平面度优于±2.06μm(RMS)、探测器的低温应力小于22.06 MPa、双波段滤光片低温形变小于8.55μm、探测器与...     

红外探测器杜瓦结构的快启动优化

某型号红外探测器组件在工程应用中需要极短的制冷启动时间,红外焦平面探测器组件的启动时间与制冷器的制冷性能和杜瓦冷头的热学性能相关。本文在不改变J-T制冷器状态的条件下,通过对杜瓦结构的冷屏、框架、冷台等零件的热负载设计优化仿真优化设计,减小冷头热质量,提高导热效率,有效减少了组件的制冷启动时间。     

集成冷光学的双波段杜瓦组件技术

集成冷光学的红外探测器杜瓦封装在中波、长波红外组件研制中具有重要意义，有利于抑制红外辐射背景、提升仪器灵敏度和集成度。提出了集成冷光学的中波、长波双波段探测器杜瓦组件，设计了一体化冷平台支撑、低漏热透镜支撑等新结构，解决了冷光学透镜组与探测器组合、双波段探测器透镜组之间高精度配准及高强度单点支撑钎焊等新工艺，建立了该冷光学集成组件杜瓦的冷面温度均匀性、双温区控制以及低热负载等关键参数。实现了杜瓦液氮热负载小于0.85 W，中波工作于73 K，冷面温度均匀性0.36 K，长波工作于65 K，冷面温度均匀性0.08 K，探测器与透镜组配准精度偏差优于±10μm，探测器光学模组间配准偏差优于±15μm。该新型杜瓦已通过一系列空间环境适应性试验验证，成功应用于风云四号系列气象卫星大气垂直探测仪中。     

大面阵红外探测器与低温冷平台集成后的应变测试研究

大面阵红外探测器是红外遥感仪器的核心元件。该类探测器大多由小规模面阵探测器拼接组成,与杜瓦低温冷平台集成后形成杜瓦组件。探测器在杜瓦低温冷平台上安装集成后的应力状态是影响芯片性能和寿命的关键因素。测试了低温时探测器在自由状态下和被安装在杜瓦组件内应变片的热输出,再利用两者的差值表征了探测器与杜瓦低温冷平台集成后的额外应变。以2000×512探测器组件为例,进行了测试验证分析,结果表明该方法可行。     

一种新型红外探测器／杜瓦瓶的热耗计算

扫积型红外探测器是目前大量使用的一种新型红外探测器,在研制这种红外探测器时,应对这种探测器/杜瓦瓶的热耗(漏热)进行计算,以便对制冷器的制冷功率等参数提出合理的要求。本文从一般传热学原理出发,对该探测器/杜瓦瓶所发生的辐射、传导、焦耳热等漏热进行了计算,从而得到了该探测器/杜瓦瓶所消耗的热量——热耗,并与国内外有关资料、数据进行了比较。     

红外探测器用微型制冷机工程化研究

对快起动节流制冷器和集成式斯特林制冷机的最低制冷温度、制冷功率、起动时间、热负荷、控温转速和控温功率等进行了工程化研究,有效地解决了关键技术问题,减少热力损失、振动噪声和污染,提高密封性和装配技术水平等。还解决了制冷机的可靠性,寿命和存贮期等实用化问题。     

红外探测器用微型制冷机工程化研究

对快起动节流制冷器和集成式斯特林制冷机的最低制冷温度、制冷功率、起动时间、热负荷、控温转速和控温功率等进行了工程化研究,有效地解决了关键技术问题,减少热力损失、振动噪声和污染,提高密封性和装配技术水平等。还解决了制冷机的可靠性,寿命和存贮期等实用化问题。     

红外探测器杜瓦的小型化设计方法

杜瓦小型化是制冷型红外探测器组件的发展方向之一,也是未来红外成像系统小型化、集成化发展的需要。由于杜瓦为探测器组件提供光、机、电接口,其小型化设计要综合考虑制冷机的制冷能力、探测性能、真空性能和系统应用等多方面因素。结合杜瓦的结构组成和工作原理,分析了小型化设计的方法及影响。该研究对杜瓦设计有较好的启发和指导作用。     

红外探测器薄壳杜瓦组件的瞬态钎焊热场分析

制冷型红外探测器是航天领域广泛应用的重要电子器件,主要由半导体芯片、杜瓦组件、制冷器等部件构成.其中薄壳杜瓦组件用于创造探测器内部的真空隔热环境,从而维持器件的低温工作.薄壳杜瓦组件是通过真空钎焊的方式加工生产的,设计合理的钎焊热场可预防零件形变、提高加工一致性,从而提升器件良率.对于机械强度较差的薄壳类零件,除稳态热...     

InSb焦平面探测器高低温循环特性研究

制冷型InSb红外焦平面探测器工作时需降温至低温(80 K),器件在整个生命周期会经受从常温(300 K)到低温(80 K)的上千次高低温循环。针对该型探测器开展了高低温循环特性试验,测试和分析了上千次高低温循环过程中器件光电性能、杜瓦热负载和J-T制冷器特性的变化。试验结果表明,探测器可以经受至少2 000次高低温循环,并且探测率变化的幅度5.5%、响应率变化的幅度4.8%、盲元数未发生增加。研究结果为器件的工艺研发和改进提供了参考。     

大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构设计

空间红外相机为提高成像质量,采用脉冲管制冷机对大面阵红外探测器进行制冷和杜瓦封装,形成杜瓦组件,使探测器工作在深低温环境下。冷指与热端之间仅靠脉冲管的薄壁结构连接,径向支撑刚度偏低,无法承受卫星发射阶段的振动,需对冷指增加支撑结构;但为提高制冷效率,又需要尽量增大连接探测器的冷指与制冷机热端之间的结构热阻,以减少结构间漏热。传统的方案是在冷指与热端之间增加金属支撑柱,但该结构会带来附加的漏热,且因为连接刚度较大,会由于装配及加工误差在脉冲管焊缝处产生较大的结构应力,影响组件性能。提出一种基于玻璃纤维束的冷指支撑结构,利用玻璃纤维束的高抗拉刚度及低抗弯刚度提高冷指径向支撑刚度的同时减小其在轴向上的结构应力;同时,玻璃纤维束的超低导热系数和小截面面积可以极大的提高结构热阻,显著减小附加漏热。与传统方案相比,玻璃纤维束支撑加强结构在提高冷指支撑刚度同时,将冷指与热端之间的结构热阻增大为原来的3 730倍,解决了冷指支撑加强结构既要求抗振性能好、又要求漏热小的难题,可适用于各种类型的大面阵红外探测器的杜瓦冷指支撑结构。     

基于定子隔离技术的旋转集成式斯特林制冷机的优化研究

以一款制冷量为04W/77 K的小型化旋转集成式斯特林制冷机为研究对象,优化其结构,将定子隔离技术应用于该款制冷机中。优化后的制冷机避免了定子外壳玻璃-金属封接处气体泄漏的风险,同时也降低了制冷工质气体污染导致制冷机失效的可能性。通过制冷机与探测器联试数据,表明该样机性能可满足红外探测器组件应用需求,达到了预期优化研究目的。     

有关红外制冷、制冷器、杜瓦瓶设计、研究、分析的论文文摘

实现大功率快速节流制冷的技术途径航空航天部三院八三五八所李中民基于红外焦平面阵列的应用对低温环境的必然要求,本文叙述了实现大功率快速节流制冷的技术途径,并论证了技术途径的可行性。同时,还指出了节流制冷器