КРИОСТАТ ДЛЯ ПРИЕМНИКА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
CRYOSTAT FOR INFRARED RADIATION DETECTOR

Изобретение относится к конструктивным узлам регистрирующей техники, а именно к узлам конструкции фоточувствительных приборов, предназначенных для регистрации инфракрасного излучения, в частности, к криостатам для охлаждаемых многоэлементных фотоприемников.
Известен криостат для приемника инфракрасного излучения (Б.Н. Формозов. Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах: Учебное пособие/СПбГУАП., СПб., 2002 г., 120 с., стр.50-52), содержащий корпус, размещенные во внутреннем объеме, ограничиваемом корпусом, рабочую камеру, узел криостатирования, сформированный перегородкой, отграничивающей рабочую камеру, в составе контейнера для сжиженного газа - азота, снабженного заливной горловиной, крионасос, трубчатые парозаборники испаряющего азота, предназначенные для циркуляционного охлаждения парами азота фотоприемника, размещенного в рабочей камере. Трубчатые парозаборники испаряющегося азота реализованы с возможностью забора паров из объема контейнера для сжиженного газа и подачи их в рабочую камеру, выполненную с возможностью дренажа паров азота. Корпус со стороны рабочей камеры снабжен входным окном из лейкосапфира диаметром 80 мм. В рабочей камере на некотором расстоянии от входного окна соосно размещено охлаждаемое окно из лейкосапфира диаметром 60 мм, к которому прижата пластина из германия марки ГМО-1 диаметром 60 мм, образуя полосовой ИК-фильтр, установленный в рабочей камере посредством фланца, соединенного индиевым разборным сочленением с перегородкой, отграничивающей рабочую камеру. Перегородка установлена во внутреннем объеме, ограничиваемом корпусом, посредством опор, расположенных в рабочей камере и примыкающих к корпусу. Перегородка снабжена крионасосом на основе березового активированного угля, а корпус снабжен вакуумным вентилем. В рабочей камере на некотором расстоянии от полосового фильтра соосно установлен фотоприемник, соединенный с наружным разъемом типа РГТС-50.
-2
-4
Криостат не требует высоковакуумной откачки. Перед заливкой жидкого азота в контейнер проводят откачку механическим или цеолитовым форвакуумным насосом до давления 5·10 Торр и менее, после чего вакуумный вентиль закрывают, и в контейнер заливают жидкий азот. Мгновенно в рабочей камере устанавливается давление 1·10 Торр и менее, достаточное для надежной вакуумной теплоизоляции всех охлаждаемых частей за счет действия крионасоса на основе березового активированного угля. Емкость криостата - 3-4 литра жидкого азота, что хватает на 6-8 часов работы без дозаправки. Крионасос саморегенерируется при отогреве рабочей полости до комнатной температуры.
К недостаткам вышеприведенного технического решения относится: ограничение по времени нахождения криостата в открытом состоянии, на атмосфере, в процессе монтажа фотоприемного модуля; не самое максимальное время поддержания вакуума, при котором обеспечивается нормальная работа фотоприемника при одной и той же порции жидкого азота; низкое соотношение величины времени поддержания рабочего вакуума в криостате при многократном его использовании без вскрытия к величине количества жидкого азота одной и той же порции, невысокая эффективность криостата.
Недостатки обусловлены конструктивным выполнением криостата. Выполнение крионасоса на основе березового угля не принимает во внимание возможность загрузки угля на финальных стадиях подготовки криостата к работе, когда криостат прошел предварительную проверку на герметичность. Крионасос на основе березового активированного угля установлен в перегородке, которая разделяет пространство внутри «теплого» корпуса на пространство, занимаемое узлом криостатирования, и пространство рабочей камеры. Загруженный уголь в крионасос используется длительное время без возможности оперативной его замены, поскольку замена любая замена, плановая или оперативная, требует полной разборки криостата. Качество угля со временем ухудшается, ухудшается его сорбирующая способность. Это обеспечивает низкое качество вакуума, способствуя ухудшению вакуумной изоляции, дополнительным теплопритокам и, как следствие, ухудшению работы фотоприемника.
В качестве ближайшего аналога выбран криостат для приемника инфракрасного излучения (патент РФ №2406946 на изобретение, МПК: 8 F25B 19/00), содержащий корпус, размещенные во внутреннем объеме, ограничиваемом корпусом, рабочую камеру с охлаждаемой платформой, узел криостатирования охлаждаемой платформы, при этом узел криостатирования охлаждаемой платформы выполнен заливным в виде баллона для сжиженного газа с контейнером под сорбент. Баллон для сжиженного газа снабжен заливной горловиной из коаксиально расположенных трубок. На внешней поверхности баллона для сжиженного газа, выходящей в объем рабочей камеры, размещена охлаждаемая платформа. Охлаждаемая платформа связана с корпусом посредством подвешивающих ее упруго натянутых струн. Корпус снабжен передним фланцем с входным окном, напротив которого расположена охлаждаемая платформа. Заливная горловина выполнена из трех тонкостенных коаксиально расположенных с зазором трубок. Ножка криостата выполнена из трех тонкостенных коаксиально расположенных с зазором трубок. Коаксиально расположенные трубки выполнены размерами, мм: ⌀8×0,2; ⌀10×0,2; ⌀12×0,2, в качестве материала трубок использована нержавеющая сталь. Струны выполнены максимально возможной длины из материала, обеспечивающего им высокую механическую прочность и низкую теплопроводность, и расположены в плоскости, параллельной плоскости охлаждаемой платформы. Максимально возможная длина струн обеспечена их расположением, при котором в плоскости, параллельной плоскости охлаждаемой платформы, струнами образован четырехугольник с прямыми углами, при этом «теплые» концы струн соединены с корпусом, а «холодные» - с охлаждаемой платформой. В криостате «теплые» концы струн соединены с корпусом сваркой, а «холодные» соединены с охлаждаемой платформой посредством промежуточных деталей, механически закрепленных к охлаждаемой платформе. Охлаждаемая платформа выполнена из меди, а промежуточные детали - из нержавеющей стали. В качестве материала струн использована проволока марки Х20Н80. Заливная горловина поверх коаксиально расположенных трубок снабжена фторопластовым колпачком.
В рассматриваемом техническом решении предусмотрен альтернативный вариант выполнения узла криостатирования, - стыкуемый с микрокриогенной системой охлаждения, в виде ножки криостата из коаксиально расположенных трубок, на которой размещена охлаждаемая платформа. Криостат для приемника инфракрасного излучения, реализованный с использованием указанной альтернативы, во внимание не принимается.
К недостаткам вышеприведенного технического решения, выбранного в качестве ближайшего аналога, относятся: ограничение по времени нахождения криостата в открытом состоянии, на атмосфере, в процессе монтажа фотоприемного модуля; не самое максимальное время поддержания вакуума, при котором обеспечивается нормальная работа фотоприемника при одной и той же порции жидкого азота; низкое соотношение величины времени поддержания рабочего вакуума в криостате при многократном его использовании без вскрытия к величине количества жидкого азота одной и той же порции, невысокая эффективность криостата.
К причинам недостатков относится следующее. Узел криостатирования охлаждаемой платформы выполнен заливным в виде баллона для сжиженного газа с контейнером под сорбент. Конструктивное решение узла криостатирования охлаждаемой платформы не обеспечивает выполнение загрузки контейнера под сорбент (активированный уголь или цеолит), заглушки контейнера пробкой, герметизации и установки криостата на откачной пост в качестве завершающих операций в технологической цепочке подготовки криостата к работе. Для осуществления загрузки необходимо, чтобы корпус криостата был в разобранном состоянии. Последовательность действий при подготовке к работе криостата, сначала загрузка сорбента, а затем досборка конструкции увеличивает время нахождения сорбента на атмосфере, приводя к ухудшению его сорбционных качеств. Загруженный сорбент при реализации рассматриваемой конструкции используется длительное время, без возможности оперативной его замены, поскольку любая замена, плановая или оперативная, требует значительной разборки. Качество сорбента со временем ухудшается, ухудшается его сорбирующая способность. Это является причиной ухудшения вакуума, способствуя ухудшению вакуумной изоляции, дополнительным теплопритокам и, как следствие, ухудшению работы фотоприемника.
Техническим результатом изобретения является:
- достижения снятия ограничений по времени нахождения криостата в открытом состоянии, на атмосфере, в процессе монтажа фотоприемного модуля;
- увеличение времени поддержания вакуума, при котором обеспечивается нормальная работа фотоприемника при одной и той же порции жидкого азота;
- повышение соотношения величины времени поддержания рабочего вакуума в криостате при многократном его использовании без вскрытия к величине количества жидкого азота одной и той же порции, повышение эффективности криостата.
Технический результат достигается в криостате для приемника инфракрасного излучения, содержащем корпус, размещенные во внутреннем объеме, ограничиваемом корпусом, рабочую камеру с охлаждаемой платформой, узел криостатирования охлаждаемой платформы, при этом узел криостатирования охлаждаемой платформы выполнен заливным в виде баллона для сжиженного газа с контейнером под сорбент, в баллоне для сжиженного газа выполнен контейнер под сорбент, имеющий с баллоном общую стенку, снабженный в общей стенке упомянутых баллона и контейнера отверстием, предназначенным для загрузки сорбента, выполненным с возможностью его последующей заглушки, в стенке корпуса, напротив отверстия, предназначенного для загрузки сорбента, выполнено сквозное отверстие, обеспечивающее доступ к контейнеру под сорбент, к отверстию, обеспечивающему доступ к контейнеру под сорбент, со стороны атмосферы, герметично подсоединен штенгель, предназначенный для откачки газа при вакуумировании криостата, выполненный с возможностью последующего его откусывания с спрессовыванием.
В криостате контейнер под сорбент вварен в заднюю стенку, наиболее удаленную от рабочей камеры, баллона для сжиженного газа, являющуюся общей стенкой упомянутых баллона и контейнера, в которой выполнено отверстие, предназначенное для загрузки сорбента, при этом контейнер вварен соосно с баллоном и корпусом.
В криостате отверстие, предназначенное для загрузки сорбента, выполненное с возможностью его последующей заглушки, реализовано резьбовым с последующей заглушкой его резьбовой пробкой.
В криостате в стенке корпуса, напротив отверстия, предназначенного для загрузки сорбента, выполнено сквозное отверстие, обеспечивающее доступ к контейнеру под сорбент, соосно с отверстием, предназначенным для загрузки сорбента.
В криостате в отверстии, обеспечивающем доступ к контейнеру под сорбент, со стороны атмосферы расположен зуб типа «конфлат» для герметичного уплотнения штенгелем.
В криостате штенгель выполнен в виде цельнометаллической трубки из меди, снабженной на концах фланцами, обеспечивающими функцию уплотнительных прокладок для безфлюсовой герметизации стыков: «корпус криостата - штенгель» и «штенгель - откачной пост».
В криостате к отверстию, обеспечивающему доступ к контейнеру под сорбент, со стороны атмосферы, герметично подсоединен штенгель, а именно за счет герметичного уплотнения с зубом типа «конфлат», который расположен со стороны атмосферы в отверстии, обеспечивающем доступ к контейнеру под сорбент, при помощи разрезных накидных фланцев, которыми снабжен штенгель, которые выполнены с возможностью примыкания к фланцам, обеспечивающим функцию уплотнительных прокладок для безфлюсовой герметизации стыков: «корпус криостата - штенгель» и «штенгель - откачной пост».
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемой фигурой. На Фиг. показан криостат в разрезе: а) при подготовке криостата к процессу вакуумирования; б) при герметизации криостата; в) детализация конструктивного выполнения задней части криостата (противоположной части криостата относительно расположения входного окна); где 1 - контейнер под сорбент, 2 - баллон для сжиженного газа, 3 - корпус, 4 - пробка, 5 - зуб типа «конфлат», 6 - штенгель, 7 - фланец, 8 - разрезной накидной фланец, 9 - охлаждаемая платформа, 10 - передний фланец с входным окном.
Достижение указанного технического результата базируется на особенностях конструктивного выполнения криостата, позволяющих осуществлять операции: загрузку контейнера под сорбент (активированный уголь или цеолит), заглушку контейнера пробкой, герметизацию штенгеля и установку криостата на откачной пост в качестве завершающих операций в технологической цепочке подготовки криостата к работе. Перечисленные операции выполняют после подготовки криостата и его переднего фланца к процессу вакуумирования, установки фотоприемного модуля и герметизации переднего фланца. Конструкция криостата обеспечивает суммарное время, необходимое для загрузки сорбента (активированного угля) в контейнер 1, заглушки его пробкой 4, герметизации штенгеля 6 и установки криостата на откачной пост, равное от 15 до 20 минут. Конструктивное выполнение криостата, учитывающее осуществление перечисленных операций подготовки криостата к работе в качестве завершающих, позволяет снять ограничения по времени нахождения криостата в открытом состоянии, на атмосфере, в процессе монтажа фотоприемного модуля, герметизации переднего фланца с входным окном. Кроме того, возможна загрузка сорбента - активированного угля в контейнер 1 в «горячем» состоянии, при температуре около 200°С, сразу же после его обезгаживания и активации, что предохраняет его от насыщения влагой. В случае необходимости криостат можно неоднократно вскрывать и снова герметизировать, заменяя при этом сорбент - активированный уголь на более свежий при использовании нового штенгеля. Нахождение сорбента - активированного угля на атмосфере, в нагретом состоянии, в течение времени от 15 до 20 минут перед вакуумированием, позволяет приемлемо сохранять его сорбционную емкость, в результате увеличивается время поддержания вакуума, при котором обеспечивается нормальная работа фотоприемника. Фотоприемник нормально работает в течение 12 часов от одной заливки жидкого азота. Разовая порция жидкого азота составляет 200 мл, при многократном использовании без вскрытия его теплофизические параметры сохраняются в течение 12 лет. Проверено на практике.
Конструктивные особенности выполнения криостата, обеспечивающие достижение технического результата, заключаются в следующем. В баллоне для сжиженного газа 2 выполнен контейнер под сорбент 1, снабженный отверстием (отверстие «А», см. Фиг.в)) в общей стенке упомянутых баллона и контейнера. Отверстие «А» предназначено для загрузки сорбента (активированного угля) и выполнено с возможностью его последующей заглушки, например, пробкой 4 (см. Фиг.а)). В стенке корпуса 3 криостата, напротив отверстия, предназначенного для загрузки сорбента, выполнено сквозное отверстие (отверстие «Б», см. Фиг.в)), которое обеспечивает доступ к контейнеру под сорбент 1. К отверстию, обеспечивающему доступ к контейнеру под сорбент 1, со стороны атмосферы, герметично подсоединен штенгель 6. Штенгель 6 предназначен для откачки газа при вакуумировании криостата и выполнен с возможностью последующего его откусывания прессом (см. Фиг.б)).
Таким образом, предлагаемый криостат для приемника инфракрасного излучения в общем случае выполнения (см. Фиг.) содержит корпус 3, рабочую камеру, охлаждаемую платформу 9, узел криостатирования, выполненный заливным, в составе баллона для сжиженного газа 2, контейнера под сорбент 1, штенгеля 6. При этом во внутреннем объеме криостата, ограничиваемом корпусом 3, размещена рабочая камера с охлаждаемой платформой 9 и узел криостатирования, в котором в баллоне для сжиженного газа 2 выполнен контейнер под сорбент 1, имеющий общую стенку с баллоном для сжиженного газа, снабженный в общей стенке упомянутых баллона и контейнера отверстием, предназначенным для загрузки сорбента, - отверстие «А», в стенке корпуса 3, напротив отверстия, предназначенного для загрузки сорбента, - отверстие «А», выполнено сквозное отверстие, обеспечивающее доступ к контейнеру под сорбент, - отверстие «Б», к которому со стороны атмосферы, герметично подсоединен штенгель 6 (см. Фиг.а)). Отверстие «А» выполнено с возможностью его последующей заглушки (см. Фиг.а) и в)). Штенгель 6 предназначен для откачки газа при вакуумировании криостата и выполнен с возможностью последующего его откусывания с оппресовкой (см. Фиг.б)).
В частном случае контейнер под сорбент 1 вварен в заднюю стенку, наиболее удаленную от рабочей камеры, баллона для сжиженного газа 2, являющуюся общей стенкой для упомянутых баллона и контейнера, в которой выполнено отверстие, предназначенное для загрузки сорбента, - отверстие «А» (см. Фиг.а)). Контейнер под сорбент 1 вварен соосно с баллоном для сжиженного газа 2 и «теплым» корпусом 3. Отверстие, предназначенное для загрузки сорбента (активированного угля), выполненное с возможностью его последующей заглушки, реализовано резьбовым (см. Фиг.в)), с последующей заглушкой его резьбовой пробкой 4 (см. Фиг.а)). В стенке корпуса 3, напротив отверстия, предназначенного для загрузки сорбента, - отверстие «А», выполнено сквозное отверстие, обеспечивающее доступ к контейнеру под сорбент, - отверстие «Б» (см. Фиг.в)), соосно с отверстием «А». К отверстию «Б», со стороны атмосферы, подсоединен штенгель 6. В отверстии «Б», со стороны атмосферы, предусмотрено расположение зуба типа «конфлат» 5 для герметичного уплотнения штенгелем 6 (см. Фиг.а) и в)). Штенгель 6 представляет собой трубку, снабженную на концах фланцами 7, которые выполняют функцию уплотнительных прокладок для бесфлюсовой герметизации стыков: «корпус криостата - штенгель» и «штенгель - откачной пост». Штенгель 6 изготовлен в виде цельнометаллической трубки из меди. Герметичное подсоединение штенгеля 6 к отверстию «Б» (см. Фиг.а)) осуществляется за счет герметичного уплотнения с зубом типа «конфлат» 5 при помощи разрезных накидных фланцев 8 (см. Фиг.в)), которыми снабжен штенгель 6, которые выполнены с возможностью примыкания к фланцам 7, расположенным на концах штенгеля 6, обеспечивающим функцию уплотнительных прокладок для безфлюсовой герметизации стыков: «корпус криостата - штенгель» и «штенгель - откачной пост».
В криостате баллон для сжиженного газа 2 снабжен заливной горловиной из коаксиально расположенных трубок. На внешней поверхности баллона для сжиженного газа 2, выходящей в рабочую камеру, размещена охлаждаемая платформа 9. Охлаждаемая платформа 9 связана с корпусом 3 посредством подвешивающих ее упруго натянутых струн. Корпус 3 снабжен входным окном - в криостате выполнен передний фланец с входным окном 10, напротив которого расположена охлаждаемая платформа 9. Заливная горловина выполнена из трех тонкостенных коаксиально расположенных с зазором трубок и снабжена фторопластовым колпачком. Криостат используют следующим образом. После предварительной проверки криостата на герметичность на охлаждаемой платформе напротив входного окна в корпусе 3 криостата устанавливают, например, гибридную микросхему матричного или линейчатого фотоприемного устройства, герметизируют передний фланец с входным окном 10. Через отверстие «А» в контейнер под сорбент 1 с помощью воронки загружают сорбент - активированный уголь. Посредством резьбовой пробки 4 осуществляют заглушку. Сорбент предназначен для адсорбирования остаточных газов при выходе и поддержании вакуума на рабочем уровне. Герметизируют штенгель 6, посредством фланцев 7 и разрезных накидных фланцев 8, устанавливают криостат на откачной пост. Криостат откачивают до рабочего уровня вакуума, после чего штенгель 6 откусывают при помощи пресса. Далее готовый к работе криостат устанавливают в прибор, например, тепловизор, в котором он является составной частью, необходимой для работы прибора.
Для охлаждения (80 К) гибридной сборки матрицы фоточувствительных элементов и кремниевого мультиплексора в баллон для сжиженного газа 2 узла криостатирования охлаждаемой платформы заливают азот (см. Фиг.1). Осуществляют выход на рабочий режим. Предлагаемый криостат обеспечивает при расходе 200 мл жидкого азота до 12 часов непрерывной работы прибора после выхода на рабочий режим, при многократном использовании без вскрытия его теплофизические параметры сохраняются в течение 12 лет, как показано на практике.