低能同步輻射CCD冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

高 昶 張洋洋 洪國(guó)同 楊彥佶

(1中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

(2中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

(3中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 北京100049)

低能同步輻射CCD冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

高 昶1，2張洋洋1，2洪國(guó)同1楊彥佶3

(1中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

(2中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

(3中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 北京100049)

根據(jù)低能(LE)同步輻射電荷耦合元件(CCD)器件冷卻要求設(shè)計(jì)了一套方便拆裝的冷卻系統(tǒng)，并且通過(guò)漏熱計(jì)算選擇了配套的脈沖管制冷機(jī)。分析模擬了CCD器件表面及其安裝底板的溫度均勻性。對(duì)關(guān)鍵部件制冷機(jī)性能進(jìn)行了測(cè)試，得到不同功率下的降溫曲線，采用組合控溫方式能夠方便調(diào)節(jié)CCD器件至指定溫度，在控溫儀的自動(dòng)控制下達(dá)到較高的控溫精度。冷卻系統(tǒng)工作溫度范圍為-100℃至室溫。

CCD器件 脈沖管制冷機(jī) 冷卻系統(tǒng)控溫

1 引言

CCD是20世紀(jì)70年代初期發(fā)明的新一代光電傳感器件［1］，廣泛應(yīng)用在光學(xué)遙測(cè)技術(shù)、光學(xué)與頻譜望遠(yuǎn)鏡和高速攝影技術(shù)中。應(yīng)用在航天領(lǐng)域的探測(cè)方面時(shí)，為了降低紅外線干擾，常常以液態(tài)氮［2］或半導(dǎo)體冷卻。為了固定成像位置，還需要防止震動(dòng)的影響。液氮冷卻雖然方便，但對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的工作條件需要不斷補(bǔ)充，增加了設(shè)備質(zhì)量和體積要求。機(jī)械制冷機(jī)取代液氮冷卻的優(yōu)點(diǎn)早就為眾人所知［3］，具有體積重量小、振動(dòng)噪音小、工作溫度調(diào)節(jié)靈活、工作壽命長(zhǎng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)采用低溫制冷機(jī)來(lái)滿足低溫電子器件的制冷要求成為研究熱點(diǎn)，本文的冷卻對(duì)象CCD器件外形尺寸為78 mm×78 mm×5 mm，發(fā)熱量為0.3—1.2 W，要求溫度從-100℃至室溫可連續(xù)調(diào)節(jié)。

2 冷卻系統(tǒng)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LE同步輻射CCD冷卻系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)主體、脈沖管制冷機(jī)、散熱風(fēng)扇、制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)電源、控溫儀、以及真空泵、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等輔助設(shè)備。如圖1所示，冷卻系統(tǒng)主體由CCD傳感器及其基座、傳感器安裝底板、輻射屏、制冷機(jī)冷頭、制冷壓縮機(jī)、安裝法蘭、真空罩等組成。制冷機(jī)的冷頭冷端與傳感器安裝底板直接接觸，將冷量傳遞給安裝底板。底板上安裝傳感器及其基座，傳感器溫度隨底板的溫度降低而達(dá)到所需要的制冷溫度。在安裝底板外圍設(shè)置了輻射屏，既減少外界室溫環(huán)境對(duì)底板及傳感器的輻射熱，同時(shí)也減少傳感器內(nèi)部的溫度梯度，提高其溫度均勻性。傳感器基座、輻射屏等隨安裝底板均由低熱導(dǎo)率支撐筒固定在安裝法蘭上。在制冷機(jī)的冷頭熱端和壓縮機(jī)上部設(shè)置了軸流風(fēng)扇，為其提供散熱。

2.2 溫度測(cè)量與控制

在傳感器基座上安裝溫度計(jì)和加熱器，用于對(duì)CCD傳感器的實(shí)際工作溫度進(jìn)行測(cè)量和控制。為保證可靠性，在傳感器基座上安裝2支溫度計(jì)，既可以測(cè)量其溫度均勻性，還可以互為備份。

控溫系統(tǒng)由控溫儀、加熱器、溫度計(jì)組成?？販貎x選用美國(guó)Lakeshore公司的336型控溫儀?？販胤绞綖槊}沖管制冷機(jī)手動(dòng)粗調(diào)與加熱控溫自動(dòng)精調(diào)相結(jié)合。首先根據(jù)實(shí)際需要將制冷機(jī)輸入功率調(diào)節(jié)到所需要的值，保證制冷機(jī)的制冷量能夠達(dá)到所要求的制冷溫度以下，然后啟用336型控溫儀的自動(dòng)控溫模式，對(duì)其進(jìn)行加熱自動(dòng)控制。這種工作方式的控溫精度高，能夠滿足的工作溫度范圍廣，加熱功率小。

溫度計(jì)選用圓柱狀PT100鉑電阻，直接插入傳感器基座內(nèi)。加熱器為薄膜加熱器，粘貼在傳感器基座的背面，加熱電阻為36 Ω，最大加熱功率設(shè)定為10 W。溫度計(jì)和加熱器的安裝位置如圖2。

圖1 冷卻系統(tǒng)主體Fig.1 Schematic diagram of cooling system

圖2 溫度計(jì)與控溫加熱器安裝位置Fig.2 Installation location of thermometer and heater

3 漏熱計(jì)算及溫度均勻性分析

3.1 漏熱計(jì)算

3.1.1 導(dǎo)熱

忽略薄膜電纜和溫度計(jì)引線的傳導(dǎo)漏熱，則導(dǎo)熱只有傳感器基座的支撐漏熱，該支撐采用不銹鋼材料。根據(jù)導(dǎo)熱計(jì)算公式(1)，得到支撐傳導(dǎo)漏熱為0.66 W。

3.1.2 輻射

傳感器組件外部設(shè)置輻射屏，傳感器組件全部包裹在該輻射屏內(nèi)部，其溫度比傳感器組件高約10 K。兩個(gè)表面的輻射傳熱量計(jì)算較為復(fù)雜，當(dāng)一個(gè)表面被另一個(gè)大得多的表面包圍時(shí)可按式(2)近似處理［4］，這部分漏熱最終傳遞到制冷機(jī)冷指。輻射屏內(nèi)外表面拋光鍍金，輻射屏外表面和真空罩內(nèi)表面發(fā)射率取0.1。根據(jù)輻射換熱計(jì)算公式(2)，得到輻射漏熱量約1.56 W。3.1.3 CCD焦耳熱

單個(gè)CCD器件工作時(shí)發(fā)熱量為0.3 W，4個(gè)CCD同時(shí)工作時(shí)發(fā)熱量為Qj=1.2 W。3.1.4 總漏熱

從上述計(jì)算可知，低溫部件的總漏熱約為3.5 W，為此，應(yīng)選擇制冷機(jī)在173 K的制冷量應(yīng)大于3.5 W。

3.2 溫度均勻性分析

傳感器安裝底板為一長(zhǎng)條形紫銅板，一側(cè)圓形凹槽為制冷機(jī)冷指安裝面，用于與制冷機(jī)冷指端面連接;另一側(cè)用于安裝傳感器組件，傳感器組件安裝面下方中間開(kāi)槽，以便傳感器安裝時(shí)其背面的接插件引線能夠穿過(guò)。傳感器組件由矩形排列的四組器件組成，四組器件可單獨(dú)工作，也可同時(shí)工作。通過(guò)Ansys軟件模擬分析四組器件同時(shí)工作和左下角器件單獨(dú)工作時(shí)的安裝底板表面和器件表面的溫度分布情況，計(jì)算結(jié)果如圖3所示，兩種工作情況下的CCD器件和安裝底板的最大溫差如表1所示。

圖3 溫度分布圖(a)左下角CCD獨(dú)立工作時(shí)傳感器的表面(b)四組CCD同時(shí)工作時(shí)傳感器的表面(c)左下角CCD獨(dú)立工作時(shí)傳感器安裝底板的表面(d)四組CCD同時(shí)工作時(shí)傳感器安裝底板的表面Fig.3 Temperature distribution

表1 不同工作狀態(tài)下溫度分布計(jì)算結(jié)果Table 1 Temperature distribution under different working conditions

4 制冷機(jī)選型與性能測(cè)試

制冷機(jī)選用的長(zhǎng)壽命脈沖管制冷機(jī)為成熟產(chǎn)品，制冷機(jī)性能為5 W/80 K，能夠滿足本系統(tǒng)的降溫和連續(xù)工作的要求。制冷機(jī)冷指和壓縮機(jī)的實(shí)物照片如圖4所示。制冷機(jī)冷指直接插入真空室內(nèi)，與CCD傳感器安裝底板背面接觸，將冷量傳遞給傳感器安裝底板，對(duì)其降溫制冷。與制冷機(jī)匹配的驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)電源能夠調(diào)節(jié)制冷機(jī)工作電壓，從而改變制冷機(jī)的輸入功率而調(diào)節(jié)實(shí)際的制冷量大小，達(dá)到小于4 K/min的降溫速率要求。

圖4 5 W/80 K脈沖管制冷機(jī)照片F(xiàn)ig.4 Photo of 5 W/80 K pulse tube refrigerator

按照脈沖管制冷機(jī)的性能測(cè)試規(guī)范，對(duì)其性能進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試。制冷機(jī)的充氣壓力為3.6 MPa，環(huán)境溫度約20℃，制冷機(jī)熱端采用風(fēng)冷。結(jié)果如圖5所示，可以看出，制冷機(jī)在60 W輸入功率下，110 K制冷溫度下可以提供3.8 W的制冷量，完全滿足3.5 W/173 K的制冷需求，并有足夠的富裕量。

5 冷卻系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果及分析

將冷卻系統(tǒng)與脈沖管制冷機(jī)組裝并進(jìn)行真空檢漏，漏率滿足小于1×10-9Pa·m3/s的要求后，連接好控溫儀和加熱器，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

圖5 脈沖管制冷機(jī)性能測(cè)試結(jié)果Fig.5 Performance test results of pulse tube refrigerator

實(shí)驗(yàn)包括降溫速率實(shí)驗(yàn)、控溫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)、加熱復(fù)溫實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中CCD器件安裝底板的實(shí)時(shí)溫度曲線如圖6(a)所示。約第15 min時(shí)開(kāi)啟制冷機(jī)，制冷機(jī)經(jīng)歷一個(gè)緩慢啟動(dòng)過(guò)程后加大輸入功率至80 W，當(dāng)?shù)竭_(dá)172.6 K(-100.55℃)時(shí)減小輸入功率至40 W左右，再經(jīng)歷過(guò)4次調(diào)節(jié)制冷機(jī)輸入功率的控溫實(shí)驗(yàn)，如圖6(b)，經(jīng)歷幾分鐘CCD安裝底板溫度就趨于穩(wěn)定?？販亟Y(jié)束后關(guān)閉制冷機(jī)，更改控溫點(diǎn)為300 K，隨即控溫儀自動(dòng)開(kāi)啟最大加熱量10 W進(jìn)行加熱復(fù)溫，直至溫度達(dá)到300 K自動(dòng)停止加熱，到此實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

圖6 CCD器件安裝底板實(shí)時(shí)溫度變化曲線(圖b為圖a的部分放大)Fig.6 Temperature change curve of CCD device mounting plate

在173 K的控溫點(diǎn)上，改變制冷機(jī)的輸入功率，CCD器件安裝底板的溫度會(huì)發(fā)生一些波動(dòng)，但是控溫儀會(huì)迅速調(diào)整加熱量以保持溫度穩(wěn)定，一般10 min以內(nèi)就能夠達(dá)到初始穩(wěn)定狀態(tài)，即溫度波動(dòng)小于0.01 K。

對(duì)于制冷機(jī)不同的輸入功率，進(jìn)行了CCD器件安裝底板的降溫速率測(cè)試，如圖7。所示。從初始室溫292 K附近冷卻降溫到173 K控溫點(diǎn)，60、80和100 W的制冷機(jī)輸入功率對(duì)應(yīng)的降溫時(shí)間分別為67、53和42 min，相應(yīng)的平均降溫速率約為1.8、2.2和3 K/min，并且相應(yīng)的局部最大降溫速率為3、4和4.6 K/min。可見(jiàn)，80 W以下輸入功率可以滿足CCD冷卻速率小于4 K/min的要求。

圖7 CCD器件安裝底板的降溫曲線Fig.7 CCD device mounting plate cooling curve

實(shí)驗(yàn)前期，CCD器件本身還未安裝，因此設(shè)定CCD器件安裝底板控溫點(diǎn)為173 K(即-100℃)，測(cè)量制冷機(jī)不同的輸入功率對(duì)應(yīng)的可用制冷量(即可用來(lái)消除CCD工作的發(fā)熱量)，圖8所示。可以看出，即使在40 W輸入功率下制冷機(jī)的可用制冷量也大于1.2 W需求，隨著輸入功率增加，其可用制冷量也繼續(xù)增加，完全可以滿足CCD傳感器最低173 K的冷卻需求。并且控溫點(diǎn)的溫度升高，可用制冷量也隨之增加。因此，對(duì)于不同的控溫點(diǎn)(173—300 K之間)，即使制冷機(jī)的輸入功率僅為40 W，可用制冷量也都能滿足1.2 W的CCD發(fā)熱量冷卻需求。此外，如果想進(jìn)一步拓展173 K以下的制冷溫度，可以通過(guò)增加制冷機(jī)輸入功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。如輸入功率增加至80 W時(shí)，CCD器件安裝底板的溫度最低可以達(dá)到123 K。

圖8 不同輸入功率下可用制冷量Fig.8 Available cooling capacity under various input power

6 結(jié)論

(1)根據(jù)CCD傳感器的冷卻要求，確定了LE同步輻射CCD冷卻系統(tǒng)的技術(shù)方案，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，計(jì)算了系統(tǒng)漏熱，選擇了脈沖管制冷機(jī)。

(2)控溫方式采取了脈沖管制冷機(jī)手動(dòng)粗調(diào)與加熱控溫自動(dòng)精調(diào)相結(jié)合方案，其調(diào)節(jié)溫度的范圍廣、精度高，可實(shí)現(xiàn)CCD工作在室溫至173 K之間的任何溫度并維持穩(wěn)定，溫度波動(dòng)小于0.01 K/h。

(3)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了冷卻系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，通過(guò)調(diào)節(jié)制冷機(jī)的輸入功率可以有效控制制冷機(jī)的制冷量，將CCD傳感器降低到需要的溫度。

1 閆 慧.基于CCD的近紅外光譜儀的測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2007.

2 佚 名.紅外CCD封裝致冷用多元金屬杜瓦瓶［J］.半導(dǎo)體光電，1986，7(1):1.

3 陳國(guó)邦，湯 珂.小型低溫制冷機(jī)原理［M］.北京:科學(xué)出版社.2009.

4 許國(guó)良，王曉墨，鄔田華，等.工程傳熱學(xué)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2005.

Design and experimental research of a cooling system for LE synchrotron radiation CCD detectors

Gao Chang1，2Zhang Yangyang1，2Hong Guotong1Yang Yanji3
(1Key Laboratory of Space Energy Conversion Technology，Technical Institute of Physics and Chemistry，
Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)
(2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)
(3Institute of High Energy Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

According to the cooling requirement of LE synchrotron radiation charge-coupled Device CCD detectors，a cooling system has been designed and tested.The cooling system uses a pulse tube refrigerator as cooling source and is convenient to assemble and disassemble.The surface temperature uniformity of the CCD detector assembly and its mounting plate was simulated.The cooling curves under different power were obtained by using the selected refrigerator.Appropriate temperature control method can easily adjust the temperature of the CCD detectors to the specified temperature in a higher control precision with the help of a temperature controller.The operating temperature range of the system is from-100℃to room temperature.

CCD detector;pulse tube refrigerator;cooling system;temperature control

2013-07-25;

2013-10-15

高 昶，男，24歲，碩士研究生。

TB651

A文章編號(hào):1000-6516(2013)05-0028-05