КРИОСТАТ ДЛЯ ПРИЕМНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к фоточувствительным приборам для обнаружения теплового излучения, в частности, к охлаждаемым полупроводниковым приемникам инфракрасного (ИК) излучения, и предназначена, в основном, для использования на транспортных средствах, создающих в условиях эксплуатации повышенные вибрационные нагрузки, например, от работающего двигателя, рельефа местности и т.п.
Известен криостат для приемников инфракрасного излучения, содержащий внешнюю оболочку, внутренний охлаждаемый цилиндр с экраном, закрепленном на держателе кристалла с фоточувствительными элементами, который соединен с боковой поверхностью цилиндра мембраной, снабженной отверстиями (см. свидетельство на полезную модель №10857, РФ, МПК F25B 19/02, опубл. 16.08.1999 г.). В такой конструкции мембрана предназначена для повышения устойчивости к механическим внешним воздействующим факторам, в частности к вибрационным нагрузкам. Однако наличие мембраны повышает теплопритоки от внешней оболочки криостата, что приводит к увеличению времени выхода на рабочий режим и повышенному расходу мощности охлаждающих устройств приемников.
Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому криостат, в котором на внешней оболочке (корпусе) и внутреннем охлаждаемом цилиндре (держателе кристалла) предусмотрены кольца с отверстиями для крепления и протягивания прутков, предназначенных для гашения вибраций во время эксплуатации приемников излучения (см. пат. США №7500367, НКИ 62/51.1, опубл. 10.03.2009 г.). В такой конструкции влияние дополнительных теплопритоков от внешней оболочки на работу приемника сказывается в меньшей степени за счет снижения массы виброгасящего элемента, однако при этом возникает недостаточная механическая прочность при воздействии внешних факторов и снижается надежность работы при эксплуатации прибора. Кроме того, возникшая в последнее время тенденция к применению в приемниках излучения матриц и линеек фоточувствительных элементов большого формата приводит к увеличению размеров кристалла, и, следовательно, охлаждаемой массы, что требует увеличения мощности охлаждающих систем.
Задачей, решаемой с помощью предлагаемой конструкции криостата, является повышение надежности работы приемника излучения. Техническим результатом, который ее обеспечивает - повышение виброустойчивости и вибропрочности конструкции и расширение возможности подключения охлаждающих устройств для оптимизации режимов охлаждения приемника.
Указанный технический результат достигается тем, что в криостате для приемника излучения, содержащем цилиндрический корпус, в основании которого закреплен охлаждаемый держатель, снабженный наконечником, держатель выполнен в виде трех наклоненных под одинаковым углом к основанию полых цилиндров, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга и равноудаленных от оси симметрии корпуса, причем расстояние между цилиндрами в плоскости основания больше, чем в плоскости наконечника.
В предложенной конструкции держатель выполнен таким образом, что его проекции и профили повторяют форму треугольника, которая является наиболее жесткой геометрической фигурой. Это придает конструкции жесткость и устойчивость, что и обеспечивает достижение технического результата в части повышения виброустойчивости и вибропрочности конструкции. Размещение цилиндров держателя на одинаковом расстоянии друг от друга и отстоящих на одинаковом расстоянии от оси корпуса обеспечивают симметрию конструкции, при которой осуществляется равномерное охлаждение. Расстояние между цилиндрами в плоскости основания больше, чем в плоскости наконечника, что также способствует повышению устойчивости конструкции.
Наличие трех полых цилиндров в конструкции держателя обеспечивает подключение к приемнику излучения трех охлаждающих систем, например, трех газовых криогенных машин (ГКМ), которые могут работать в любом сочетании в зависимости от заданных условий. Например, в пусковом режиме, когда необходим быстрых выход на рабочую температуру, могут быть задействованы все три машины, а после выхода - одна или две в любом сочетании. Повышение надежности обеспечивается тем, что при выходе из строя одной машины, работоспособность будет поддерживаться подключенными через другие цилиндры держателя охлаждающими системами, а так же реализацией возможности подключать разное число охладителей, как в зависимости от внешних условий эксплуатации изделия при температуре от (-60)C до (+50)C, так и их оптимизации в различных стадиях работы приемника.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема криостата.
Криостат для приемника излучения содержит цилиндрический корпус 1, в основании 2 которого закреплен охлаждаемый держатель 3. Держатель выполнен в виде трех наклоненных под одинаковым углом к основанию полых цилиндров, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга и равноудаленных от оси симметрии корпуса 1. На держателе 3 установлен наконечник 4, который предназначен для размещения кристалла 5 с фоточувствительными элементами. Расстояние между цилиндрами держателя 3 в плоскости основания больше, чем в плоскости наконечника, причем конкретные значения геометрических параметров расстояний и угла наклона задаются габаритными размерами устройств, в которых используются приемники излучения, и не имеют принципиального значения для достижения указанного технического результата. Для попадания регистрируемого излучения на фоточувствительные элементы в корпусе предусмотрено входное окно 6.
При регистрации фоточувствительными элементами прошедшего через входное окно криостата излучения в реальных условиях эксплуатации приемники излучения испытывают повышенные вибрационные нагрузки, например, от работающего двигателя, рельефа местности и др., возникают модуляции фона, шумы, которые дестабилизируют измерение и регистрацию излучения. Предложенная конструкция криостата за счет повышенной жесткости держателя обеспечивает повышение виброустойчивости и вибропрочности конструкции, что повышает надежность работы прибора. Обеспечиваемая конструкцией держателя возможность подключения трех охлаждающих систем, например, газовых криогенных машин или дроссельных систем охлаждения, позволяет более гибко оптимизировать режимы охлаждения за счет подключения разного количества машин в различных сочетаниях или их поочередного использования. Это наиболее актуально для приемников излучения с повышенной тепловой нагрузкой (значительное тепловыделение кристалла с большеразмерной матрицей фоточувствительных элементов, большеразмерная охлаждаемая фоновая диафрагма), в которых вместо охлаждения одной газокриогенной машиной с большой холодопроизводительностью производят охлаждение несколькими ГКМ с эквивалентной суммарной холодопроизводительностью. Охлаждение малогабаритными ГКМ позволяет минимизировать размеры и оптимизировать эксплуатационные возможности приемника излучения в целом, что в итоге позволяет увеличить срок его службы.
Предложенная конструкция была разработана для криостата, предназначенного для размещения кристалла CdHgTe размером 16×22 мм фоточувствительными элементами формата 586×32. Был изготовлен цилиндрический корпус криостата высотой 200 мм и диаметром 50 мм с толщиной стенки 1 мм, в основании корпуса закреплялись три полых цилиндра держателя диаметром 6 мм толщиной 0,2 мм, которые противоположным концом присоединены к наконечнику, выполненному в виде диска диаметром 35 мм толщиной 3 мм, на котором расположен кристалл CdHgTe. Цилиндрический корпус, цилиндры держателя и наконечник выполнены из ковара (сплав 29 НК-ВИ). Входное окно выполнено из пластины Ge толщиной 2,5 мм. Расстояние между цилиндрами держателя в плоскости основания - 40 мм, а в плоскости наконечника - 8 мм. Соединение элементов конструкции осуществлялось методами пайки высокотемпературным припоем ПСр 72 В и лазерной сварки.
Таким образом, в предложенной конструкции треугольная форма держателя обеспечивает максимальную жесткость конструкции, а наличие трех полых цилиндров в держателе создает возможность подключения трех охлаждающих устройств, что соответственно увеличивает виброустойчивость и вибропрочность прибора и позволяет оптимизировать режимы охлаждения, увеличивая ресурс его работы.