超長線列紅外探測器杜瓦真空壽命評估方法

李 俊,王小坤,張 磊,孫 聞,曾智江 ,龔海梅

(1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室,上海 200083；2.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 紅外成像材料與器件重點實驗室,上海 200083；3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

隨著空間遙感分辨率及靈敏度的提高,航天紅外焦平面探測器的規(guī)模朝向超長線列發(fā)展,線列拼接的規(guī)模已經(jīng)從2000元、5000元到15000元[1-3],長線列拼接器件的總焦耳熱及超長線列杜瓦的熱負(fù)載也隨之增加。為了滿足制冷量的需求,裝載焦平面探測器的超長線列杜瓦冷平臺多與斯特林制冷機或直線型脈沖管制冷機冷指進(jìn)行耦合[4]。超長線列杜瓦組件在地面測試過程中需要保證探測器能夠正常工作、杜瓦熱負(fù)載及制冷機制冷性能不受影響(如制冷機的降溫時間延長、制冷功耗增加等)及紅外光窗不結(jié)霜[5],這些都要求超長線列杜瓦制冷組件要有較長的真空壽命。

近年來,國內(nèi)外對微型金屬杜瓦的真空壽命評估及加速壽命的理論開展了深入研究[5-8]。目前國外288×4元焦平面微型金屬杜瓦通過80 ℃ 存儲405天后對應(yīng)40 ℃真空壽命為18年[6],國內(nèi)某機載576×6 HgCdTe紅外焦平面微型杜瓦通過加速壽命分析可達(dá)到10年使用無維護(hù)的要求[7]。

目前對于超長線列大容積杜瓦(2×10-3m3以上),特別是集成了直線脈管冷指的大容積杜瓦的真空壽命評估較少見于報道。本文分析了影響超長線列杜瓦真空壽命的關(guān)鍵因素,基于材料解析放氣及滲透理論,建立了超長線列紅外探測器杜瓦真空壽命評估模型,分別選取典型分置式和集成式杜瓦進(jìn)行真空壽命研究,并對其真空度進(jìn)行了長期監(jiān)測,真空壽命評估方法得到了有效驗證。

2 超長線列杜瓦真空壽命評估方法

2.1 超長線列杜瓦結(jié)構(gòu)

超長線列杜瓦與制冷機耦合方式包括分置式或集成式[4]。圖1(a)為超長線列分置式杜瓦結(jié)構(gòu),與微型金屬杜瓦結(jié)構(gòu)相似,通常由光學(xué)窗口、窗口帽、底板、柱殼及芯柱等零部件氣密焊接形成高真空腔體(一般優(yōu)于10-4Pa),真空腔內(nèi)部為長線列紅外探測器、基板、濾光片支架、冷屏及冷鏈等。根據(jù)焦平面線列拼接長度及整機光學(xué)接口要求,超長線列杜瓦冷平臺尺寸約為200～300 mm,容積2×10-3m3以上,杜瓦內(nèi)大部分零件表面積比較大,但是其結(jié)構(gòu)因與微型金屬杜瓦結(jié)構(gòu)類似,在真空壽命計算時可以參考微型杜瓦真空壽命計算方法對杜瓦的焊接漏率、內(nèi)部材料放氣、排氣烘烤時間及消氣劑的吸附總量等因素進(jìn)行考慮。圖1(b)為集成直線脈管式超長線列杜瓦結(jié)構(gòu),其真空腔上部與分置式超長線列杜瓦相似,下部腔體與充有3 MPa的高純氦氣的直線脈管通過激光氣密焊接實現(xiàn)高真空腔體。集成直線脈管式超長線列杜瓦在進(jìn)行真空壽命評估時除了考慮上述因素外,還要考慮在杜瓦真空腔體與直線脈管冷指之間3 MPa的高壓差作用,高純氦氣可能通過管狀零件的薄壁及焊縫微漏孔向杜瓦真空腔內(nèi)進(jìn)行滲透放氣,因此需要計算杜瓦高真空到內(nèi)部真空壓力優(yōu)于1×10-2Pa時的氦氣滲透對真空的影響。

圖1 超長線列紅外探測器杜瓦結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 超長線列真空壽命計算模型

金屬杜瓦從超高真空排氣臺上夾封后的那一時刻t0算起到任一時刻t時,杜瓦真空滿足式(1)的動態(tài)平衡方程[5]:

(1)

(2)

式中,Pt為封離后t時刻杜瓦內(nèi)部的真空度；Pt0為封離時杜瓦內(nèi)達(dá)到的最高真空度；PHe為腔體內(nèi)部氦氣滲透所產(chǎn)生的分壓,分置式杜瓦計算時可以忽略；V為杜瓦真空腔的容積,分置式杜瓦容積為2.5×10-3m3,集成式杜瓦容積為4.2×10-3m3；

Qi為真空暴露面積下各種材料放氣的總出氣量。

影響杜瓦真空壽命主要因素包括蒸發(fā)、擴散、滲透、解吸以及焊縫微漏,當(dāng)焊縫漏率達(dá)到1.33×10-13Pa·m3/s時,影響杜瓦真空壽命的主要因素為材料解吸及滲透[5]。本文重點分析兩者對真空的影響。

2.2.1 材料解析放氣

材料的解析放氣速率是時間和溫度的反比例函數(shù),但是在夾封前需對杜瓦進(jìn)行50 ℃烘烤除氣,溫度的影響可忽略。當(dāng)只考慮時間作用下材料的解析放氣速率可以由公式(3)～(4)解得[9]:

lgqt=lgq1-algt

(3)

(4)

其中,qt為單位面積材料暴露在真空中t小時后的解吸速率,單位Pa·m3/(s·cm2)；q1,q0為常數(shù)；t為從開始抽真空算起的時間,本文在計算時均將小時轉(zhuǎn)換為天數(shù)；α為解吸速率的衰減系數(shù)。利用專用設(shè)備對封裝常用材料80 ℃烘烤時的放氣速率進(jìn)行了測試,測試數(shù)據(jù)如圖2所示,其余部分零件計算時采用常溫時材料放氣速率的參數(shù)[9]。從圖2可以發(fā)現(xiàn)陶瓷和可伐解析速率較快,當(dāng)杜瓦腔體表面與容積之比較大以及杜瓦的主要零件材質(zhì)為可伐時,其解析放氣總量將會對真空的影響更加明顯[10]。

圖2 超長線列杜瓦主要材料放氣速率測試曲線示意圖

根據(jù)圖2中杜瓦材料不同時間的解吸速率及表1中零件真空暴露面積,由式(5)可以算出各種材料解析氣源的出氣量Qi[9]:

(5)

具體結(jié)果如表1所示。

表1 超長線列杜瓦零部件參數(shù)

2.2.2 滲透放氣[9]

金屬杜瓦主要考慮氦的原子態(tài)滲透,超長線列杜瓦外部零件壁厚一般都大于2 mm,因此氦氣對其外部零部件及藍(lán)寶石窗口的滲透因計算數(shù)值太小忽略不計[8]。本文主要對集成式杜瓦的直線脈管冷指不銹鋼薄壁零件與杜瓦真空腔兩側(cè)存在壓差時氦氣滲透的計算。對于不產(chǎn)生離解的分子態(tài)滲透,滲透速率滿足:

(6)

式中,qp為滲透速率;KHe為300 K時氦對不銹鋼的滲透系數(shù)為7.5×10-22Pa·m3/(cm2·s·Pa1/2·mm-1),直線脈管全部零件真空暴露面積Atube為142 cm2,焊縫全部漏率為6×10-12Pa·m3/s,則由式(6)可以計算脈管的滲透速率qp為7.07×10-13Pa·m3/s。由滲透速率qp可以進(jìn)行計算氦氣微滲漏對腔體真空度的影響。

(7)

式中,PHe為腔體內(nèi)部氦氣滲透所產(chǎn)生的分壓；t為放氣時間；V為杜瓦腔體的總?cè)莘e。

通過式(1)～(6)可以獲得分置式及集成式杜瓦的材料的放氣總量(Pa·m3),如圖3所示,兩種杜瓦內(nèi)部的放氣主要來源比例依次是陶瓷、低溫膠、可伐及鈦合金材料的解析放氣造成的。因此對于這些金屬零部件需要進(jìn)一步優(yōu)化真空烘烤除氣的溫度及時間,同時控制低溫膠用量,以減小各材料的放氣量對杜瓦真空的影響。

(a)分置式

(b)集成式

2.3 計算條件

在對上述兩類杜瓦的真空壽命進(jìn)行估算時,主要考慮:(1)杜瓦金屬零件表面均進(jìn)行拋光、鍍金處理以減少零件表面的出氣率；(2)金屬零件進(jìn)行250 ℃及24 h烘烤除氣處理；(3)非金屬零件如窗口、寶石片、電路板等進(jìn)行80 ℃及24 h烘烤除氣處理；(4)杜瓦整體漏率優(yōu)于1.33×10-13Pa·m3/s(文獻(xiàn)[5]報道杜瓦漏率優(yōu)于1×10-12Pa·m3/s時其真空壽命大于3年)；(5)兩類杜瓦均進(jìn)行超高真空長時間烘烤排氣；(6)杜瓦夾封離開排氣臺后不考慮蒸發(fā)及漏率對其真空壽命的影響。

2.4 計算結(jié)果及分析

根據(jù)上述計算條件對分置式及集成式超長線列杜瓦的真空壽命進(jìn)行計算,計算結(jié)果分別如圖4所示。

分置式超長線列杜瓦在2年時真空度為2.93×10-3Pa,集成脈管式杜瓦在2年時真空度為6.42×10-3Pa,兩類杜瓦的真空杜均優(yōu)于1×10-2Pa,此真空狀態(tài)下滿足制冷機開機及探測器正常工作。分置式杜瓦內(nèi)部放氣因素主要是多層陶瓷電極板及低溫膠等非金屬材料解析放氣；其次可伐、鈦合金等金屬零件表面雖然經(jīng)過拋光鍍金處理,但是因表面積較大,對其真空壽命產(chǎn)生顯著影響。集成式超長線列杜瓦雖然有少量氦氣的滲透,放氣總量雖然在10-7Pa·m3數(shù)量級,但僅占放氣源的較小的比例。

圖4 超長線列杜瓦真空壽命計算曲線

3 超長線列杜瓦真空性能試驗驗證

3.1 在線真空度監(jiān)測結(jié)構(gòu)設(shè)計

杜瓦從排氣臺夾封之后的真空度一般都難以在線監(jiān)測,通常采用杜瓦熱負(fù)載測試以及制冷機開機前后的功耗及降溫時間分析杜瓦真空是否失效[9]。本文設(shè)計了一種杜瓦真空度在線監(jiān)測結(jié)構(gòu),可以對兩類超長線列杜瓦真空度長期監(jiān)測。結(jié)構(gòu)如圖5所示,主要由杜瓦排氣管、絕緣陶瓷排氣管(防電流導(dǎo)電至外殼上)、真空規(guī)、復(fù)合真空計等組成。真空規(guī)安裝于杜瓦之前要進(jìn)行烘烤除氣,避免放氣的影響。真空規(guī)通過三通接頭安裝在杜瓦排氣管末端,另一端與排氣臺相連。真空規(guī)從排氣臺夾封時作為杜瓦的一部分,夾封之后可以對其真空度進(jìn)行實時監(jiān)測。

圖5 真空度在線檢測結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 杜瓦夾封后的真空度監(jiān)測

選取超長線列分置式杜瓦及集成式杜瓦作為監(jiān)測對象,分別將其從排氣臺夾封后通過電真空規(guī)對真空度進(jìn)行2年的監(jiān)測,圖6為分置式杜瓦及集成式杜瓦真空度監(jiān)測曲線。

圖6 超長線列杜瓦真空度監(jiān)測曲線

根據(jù)容積較大的杜瓦內(nèi)分子平均自由程和氣體傳熱空間尺寸確定氣體的傳熱狀態(tài),確定接近1×10-2Pa為終止壓強[11]。在線監(jiān)測結(jié)果表明分置式及集成超長線列杜瓦2年后的真空度分別為3.12×10-3Pa及 6.9×10-3Pa,均低于1×10-2Pa(此真空狀態(tài)時對流傳熱對杜瓦熱負(fù)載具有較大影響)的要求。因此對于其熱負(fù)載及制冷降溫時間的影響將不會成為主要因素。

3.3 脈管氦滲透對杜瓦組件真空壽命的影響

考慮集成式杜瓦結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,對其真空評估比較困難,因此可對集成式杜瓦制冷組件進(jìn)行制冷機開機驗證杜瓦熱負(fù)載狀態(tài)。數(shù)據(jù)見表2,制冷機的功耗變化為1.8%。

表2 集成式杜瓦組件制冷性能測試

由于吸氣劑對氦的吸附能力很小,兩年的真空度變化較小,而且真空優(yōu)于6.9×10-3Pa。通過激活吸氣劑后發(fā)現(xiàn)制冷功耗下降至50 W。而且監(jiān)測杜瓦冷平臺的回溫曲線,基本與兩年前的回溫曲線一致,如圖7所示。以上兩點證明選用0.15 mm以上的薄壁管,脈管內(nèi)部氦氣滲透產(chǎn)生的分壓對整個杜瓦的壓強的影響可以忽略。

圖7 集成式杜瓦冷平臺升溫曲線

4 結(jié) 論

本文建立了超長線列杜瓦材料放氣速率及滲透速率模型,對分置式及集成直線脈管杜瓦的真空壽命進(jìn)行了理論計算,測試與理論值相對誤差分別為5.8%和6.96%,并設(shè)計實驗驗證了脈管氦滲透對真空的影響。通過超長線列紅外探測器杜瓦真空壽命評估可以對設(shè)計和研制工藝有一定的指導(dǎo)價值,有利于推進(jìn)超長線列紅外杜瓦組件的工程化應(yīng)用。