УЗЕЛ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИЕМНИКА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F25D19/00 

Изобретение относится к устройствам для создания криогенных температур в инфракрасных приемниках излучения с дроссельной системой охлаждения.

Известен узел охлаждения приемника инфракрасного излучения, содержащий дроссельную систему охлаждения, заключенную в кожух, на торце которого расположены ватный тампон и охлаждаемый объект (см. КВО.7812.000 ТУ, "Сибкриотехника" г.Омск, СССР, 1989 г.). В такой системе режим охлаждения удлиняется из-за образования газового пузыря (режим критического кипения), через который идет теплообмен, до тех пор, пока не достигается температура, близкая к точке кипения жидкой фазы. При этом быстродействие охлаждения недостаточно высоко и имеет разные значения из-за неопределенных количества ваты, ее расположения по отношению к охлаждаемому объекту, степени ее уплотнения от образца к образцу, поэтому и воспроизводимость результатов невысока.

Известен выбранный за прототип узел охлаждения приемника инфракрасного излучения, содержащий охлаждаемый цилиндрический держатель, на торце которого расположен кристалл с фоточувствительными элементами (ФЧЭ), и дроссельную систему охлаждения, в котором торец держателя с внутренней стороны снабжен пористым материалом, выполненным в виде металлической сетки или спеченного волокна (см. свидетельство РФ на ПМ №27420, МПК 7 F 25 D 19/00, 2002 г.) В такой системе воспроизводимость улучшается ввиду однородности пористого материала, однако из-за высокой теплопроводности и высокой теплоемкости пористого материала, выполненного в виде металлической сетки или спеченного волокна, наличие газового пузыря также отрицательно сказывается на быстродействии узла охлаждения.

Техническим результатом при использовании предлагаемой конструкции является повышение быстродействия охлаждения до температуры криостатирования кристалла с ФЧЭ при обеспечении воспроизводимости параметра быстродействия.

Указанный технический результат достигается тем, что в узле охлаждения приемника инфракрасного излучения, содержащем охлаждаемый цилиндрический держатель с расположенным на нем кристаллом с ФЧЭ, в котором торец держателя снабжен с внутренней стороны пористым материалом, и дроссельную систему охлаждения, пористый материал выполнен в виде пластины с капиллярной структурой пористостью ≥ 90%, эффективным диаметром пор ≤ 5 мкм и теплопроводностью исходного материала ≤ 2 Вт/м· К, а прилегающая к торцу поверхность пластины металлизирована (под исходным материалом понимается состав вещества, из которого изготовлена капиллярная структура). В частном случае выполнения узла охлаждения толщина металлизации достигает 0,03-0,1 мкм.

Повышение быстродействия достигается за счет того, что из-за низкой теплопроводности и высокой пористости структуры на обращенной к выходному отверстию дроссельной системы поверхности пластины происходит захват жидкой фазы хладагента, которая за счет капиллярных сил оттесняет газовый пузырь до достижения металлизированной поверхности и торца держателя. При пористости <90%, эффективном диаметре пор >5 мкм и теплопроводности исходного материала >2 Вт/м· К этот процесс малоэффективен и не дает существенного улучшения быстродействия процесса охлаждения.

Наличие металлизации на поверхности пластины, примыкающей к торцу держателя, обеспечивает интенсификацию процесса теплообмена. Толщина металлизации 0,03-0,1 мкм является оптимальной, так как при толщине менее 0,03 мкм теплопроводность пористой структуры, прилегающей к торцу держателя, недостаточна для интенсификации теплообмена, а при толщине более 0,1 мкм - напыляемый металл может забивать поры в поверхностном слое пластины, тем самым препятствуя действию капиллярного эффекта и снижая эффективность охлаждения. Под толщиной металлизации понимается максимальная толщина участков металла, нанесенного на рельеф поверхности, которая может быть проконтролирована, например, при напылении по гладкому образцу - спутнику (полированному сапфиру), расположенному в плоскости пластины.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема предложенного узла охлаждения приемника инфракрасного излучения; на фиг.2 - структура металлизированной поверхности пластины пористого материала; на фиг.3 приведены сравнительные характеристики быстродействия для прототипа (а) и заявленного технического решения (б, в, г для трех разных образцов).

Узел охлаждения приемника инфракрасного излучения содержит охлаждаемый цилиндрический держатель 1 с расположенным на нем кристаллом 2 с ФЧЭ и дроссельную систему охлаждения 3 внутри держателя 1. Торец держателя 1 снабжен с внутренней стороны пластиной 4 с капиллярной структурой, примыкающая к торцу поверхность которой металлизирована. При этом имеет значение, что металлизация 5 повторяет рельеф поверхности структуры (см. фиг.2), так что через открытые поры металлизация достигает глубины 2-3 диаметров пор. Толщина пластины 4 определяется, в основном, ее механической прочностью и расстоянием между торцом держателя и выходным отверстием дроссельной системы определенной конкретно разработанной конструкции.

Устройство работает следующим образом. При охлаждении расположенного на держателе 1 кристалла 2 с ФЧЭ из выходного отверстия дроссельной системы 3 поступает охлаждающая двухфазная смесь, например, при охлаждении до температуры 80 К - парогазовая смесь азота. Из-за низкой теплопроводности исходного материала и теплоемкости, обусловленной высокой пористостью капиллярной структуры, поверхностный слой быстро охлаждается до температуры, близкой к температуре кипения жидкой фазы. После этого жидкая фаза за счет капиллярного эффекта транспортируется вглубь структуры, сжимая газовый пузырь. Малый эффективный диаметр пор обеспечивает высокое капиллярное давление, а высокая пористость - низкое гидравлическое сопротивление для жидкости и отходящих паров. Уменьшение термосопротивления при переходном процессе достигается эффективным сжатием пузыря газа, так как основной вклад в термосопротивление при критическом режиме кипения - ограниченная теплопроводность газообразной фазы. При достижении фронтом жидкой фазы металлизированных волокон, кипение развивается подобно кипению на высокотеплопроводных структурах, то есть коэффициент теплообмена на порядок выше (~10⁴ Вт/м²·^{град - на пористой поверхности, ~ 105 Вт/м2·град - на пористой металлизированной поверхности). Высокая пористость материала, малый эффективный диаметр пор и низкая теплопроводность обеспечивают ускорение и воспроизводимость времени выхода на температурный режим.}

Предложенная конструкция разработана для узла охлаждения приемника ИК-излучения с матрицей ФЧЭ с барьером Шоттки на основе силицида платины с рабочей температурой ~80 К. Торец держателя диаметром 6 мм снабжен с внутренней стороны пластиной толщиной 0,8 мм с капиллярной структурой, например, марки ТЗМК, исходным материалом при изготовлении которого является кварцевое стекло, с пористостью 95%, эффективным диаметром пор 4,5-5 мкм и теплопроводностью кварцевого стекла 2 Вт/м· К. Прилегающая к торцу поверхность пластины металлизирована медью, например, с помощью напыления, толщина металлизации - 0,05 мкм. Крепление пластины внутри держателя осуществляется, например, пайкой или подпружиниванием к дроссельной системе охлаждения упругими элементами. Материал ТЗМК (теплоизоляционный космический) разработан НПО "Технология" г.Обнинск. Высокая пористость и технологическая воспроизводимость пор по эффективному диаметру материала типа ТЗМК обеспечивает ускорение и воспроизводимость времени выхода на температурный режим, в частности, для разработанного устройства время выхода на заданный температурный режим 80 К снижается с 6 до 4,5 мин, то есть на 25% (см. фиг.3).

Изобретение относится к устройствам для создания криогенных температур в инфракрасных приемниках излучения с дроссельной системой охлаждения. Техническим результатом при использовании предлагаемой конструкции является повышение быстродействия охлаждения до температуры криостатирования кристалла с ФЧЭ и его воспроизводимости, который достигается тем, что в узле охлаждения приемника инфракрасного излучения, содержащем охлаждаемый цилиндрический держатель с расположенным на нем кристаллом с ФЧЭ, в котором торец держателя снабжен с внутренней стороны пористым материалом, и дроссельную систему охлаждения, пористый материал выполнен в виде пластины с капиллярной структурой пористостью ≥90%, эффективным диаметром пор ≤5 мкм и теплопроводностью исходного материала ≤ 2 Вт/м·К, а прилегающая к торцу поверхность пластины металлизирована. В частном случае выполнения узла охлаждения толщина металлизации достигает 0,03-0,1 мкм. Повышение быстродействия достигается за счет того, что из-за низкой теплопроводности и высокой пористости структуры на обращенной к выходному отверстию дроссельной системы поверхности пластины происходит захват жидкой фазы хладагента, которая за счет капиллярных сил оттесняет газовый пузырь до достижения металлизированной поверхности и торца держателя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Узел охлаждения приемника инфракрасного излучения, содержащий охлаждаемый цилиндрический держатель с расположенным на нем кристаллом с фоточуствительными элементами, в котором торец держателя снабжен с внутренней стороны пористым материалом, и дроссельную систему охлаждения, отличающийся тем, что пористый материал выполнен в виде пластины с капиллярной структурой пористостью ≥90%, эффективным диаметром пор ≤5 мкм и теплопроводностью исходного материала ≤2 Вт/(м·К), а прилегающая к торцу поверхность пластины металлизирована.2. Узел охлаждения по п.1, отличающийся тем, что толщина металлизации 0,03-0,1 мкм.