ЗАЛИВНОЙ КРИОСТАТ ДЛЯ ПРИЕМНИКА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
FILLER CRYOSTAT FOR INFRARED DETECTOR

Изобретение относится к конструктивным элементам регистрирующей техники, а именно, к элементам конструкции фоточувствительных приборов, предназначенных для регистрации инфракрасного (ИК) излучения, в частности, к криостатам для охлаждаемых многоэлементных фотоприемников.
Известен заливной криостат для приемника инфракрасного излучения (Б.И. 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, заливной узел криостатирования, сформированный перегородкой, отграничивающей рабочую камеру, в виде 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.
Несмотря на широкое разнообразие конструкций криостатов не для всех видов работ, связанных с регистрацией ИК излучения, можно выбрать оптимально подходящую конструкцию. Нередко, оказывается, необходимо специальное исполнение, обеспечивающее стабильность взаимного расположения всех элементов фотоприемного устройства, размещенных в заднем рабочем отрезке оптической системы, возможность юстировки, а также работоспособность окном вниз, вверх, вбок и т.п. Приведенный криостат удобен при работе с наземными телескопами системы Кассегрена, с которыми криостат должен работать в положении окном вверх. В этом случае заливную горловину герметизируют пробкой. Для охлаждения и криостатирования фотоприемников применяют циркуляционное охлаждение парами испаряющегося азота. В этих целях осуществляют парозаборником сообщение объемов рабочей камеры и контейнера для сжиженного газа. Для работы в положении окном вверх или в положении окном вбок парозаборники выполняют по определенной схеме.
К недостаткам вышеприведенного технического решения относится узость диапазона пространственных ориентации криостата при его работе относительно горизонта. Причины, препятствующие достижению технического результата, носят конструктивный характер. Криостат предназначен для работы только в одном, фиксированном, положении. Для смены положения необходимы конструктивные изменения. Если криостат выполнен с парозаборниками, обеспечивающими его работу окном вверх, то при работе криостата окном вниз, несмотря на откачку насыщенных паров, жидкий азот будет просто выливаться в полость фотоприемника, пока его уровень не сравняется с уровнем парозаборников.
В качестве ближайшего аналога выбран заливной криостат для приемника инфракрасного излучения (патент РФ №2406946 на изобретение, МПК: 8 F25B 19/00), содержащий корпус с входным окном, размещенные во внутреннем объеме, ограничиваемом корпусом, рабочую камеру с охлаждаемой платформой, расположенной напротив окна, заливной узел криостатирования охлаждаемой платформы, выполненный в виде баллона для сжиженного, газа на котором в рабочей камере смонтирована охлаждаемая платформа, контейнер под сорбент, расположенный в объеме баллона. 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 размерами, мм: ⌀8×0,2; ⌀10×0,2; ⌀1×20,2. 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, относится узость диапазона пространственных ориентаций криостата при его работе относительно горизонта. Криостат предназначен для работы в горизонтальном положении - входным окном вбок, в вертикальном положении - входным окном вниз и во всех промежуточных положениях между ними. Криостат не предназначен для работы в вертикальном положении - входным окном вверх и во всех промежуточных положениях от горизонтального до вертикального положения - входным окном вверх.
Причины, препятствующие достижению нижеуказанного технического результата, носят конструктивный характер. При попытке использования криостата для работы в вертикальном положении - входным окном вверх и во всех промежуточных положениях от горизонтального до вертикального положения - входным окном вверх из-за выкипания азота и образования его паров нарушается контакт жидкого азота со стенкой баллона для сжиженного газа, на внешней поверхности которой, выходящей в объем рабочей камеры, размещена охлаждаемая платформа, и между поверхностью жидкого азота и стенкой баллона для сжиженного газа, на которой смонтирована охлаждаемая платформа, образуется пространство, заполненное парами азота. Причем давление паров азота отличается от атмосферного давления. В результате обеспечивается нарушение рабочего температурного режима охлаждаемого фотоприемника.
Техническим результатом изобретения является расширение относительно горизонта диапазона пространственных ориентации криостата при его работе.
Технический результат достигается в заливном криостате для приемника инфракрасного излучения, содержащем корпус с входным окном, размещенные во внутреннем объеме, ограничиваемом корпусом, рабочую камеру с охлаждаемой платформой, расположенной напротив окна, заливной узел криостатирования охлаждаемой платформы в виде баллона для сжиженного газа, на котором в рабочей камере смонтирована охлаждаемая платформа, при этом баллон для сжиженного газа снабжен дренажной трубкой для выхода паров выкипающего газа, выполненной с возможностью размещения ее холодного конца вблизи охлаждаемой платформы в области скопления паров выкипающего газа, образующейся при ориентации входного окна криостата относительно горизонта в горизонтальном, вертикальном и промежуточных положениях, кроме положения входным окном вниз, а теплого конца - с возможностью выхода за пределы баллона для сжиженного газа.
В заливном криостате корпус снабжен передним фланцем, в котором выполнено входное окно, напротив которого расположена охлаждаемая платформа, при этом охлаждаемая платформа, смонтированная на баллоне для сжиженного газа, выполнена соосно с входным окном криостата.
В заливном криостате входное окно, охлаждаемая платформа, смонтированная на баллоне для сжиженного газа, баллон для сжиженного газа, корпус криостата выполнены соосно.
В заливном криостате баллон для сжиженного газа снабжен заливной горловиной из коаксиально расположенных трубок, теплый конец дренажной трубки, реализованный с возможностью выхода за пределы баллона для сжиженного газа, выведен коаксиально через заливную горловину.
В заливном криостате баллон для сжиженного газа снабжен фторопластовой заглушкой, установленной в заливной горловине, препятствующий вытеканию сжиженного газа через заливную горловину, теплый конец дренажной трубки выведен через заглушку сквозным образом.
В заливном криостате заливной горловине установлена для герметизации уплотнительная прокладка, выполнена уплотнительная прокладка из резины.
В заливном криостате заливная горловина снабжена навинчиваемой на нее медной втулкой для уплотнения резиновой прокладки.
В заливном криостате заливная горловина снабжена шайбой, при этом шайба и уплотнительная прокладка установлены между навинчиваемой на заливную горловину втулкой и фторопластовой заглушкой.
В заливном криостате баллон для сжиженного газа выполнен из меди.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемой фигурой. На Фиг.1 показан заливной криостат в разрезе: а) и в) при его работе входным окном в бок - при ориентации криостата входным окном в вертикальном положении относительно горизонта; б) при его работе входным окном вниз - при ориентации криостата входным окном в горизонтальном положении относительно горизонта; г) при его работе входным окном вверх при ориентации криостата входным окном в горизонтальном положении относительно горизонта; где 1 - дренажная трубка, 2 - заглушка, 3 - уплотнительная прокладка, 4 - втулка, 5 - шайба, 6 - баллон для сжиженного газа.
Достижение указанного технического результата при использовании предлагаемого криостата в случае сравнения его с первым из приведенных аналогов базируется на его конструктивном выполнении, обеспечивающем его работу при любой пространственной ориентации относительно горизонта без выливания жидкого азота в полость с размещенным фотоприемником.
Достижение указанного технического результата при использовании предлагаемого криостата в случае сравнения его с ближайшим аналогом базируется на особенностях конструктивного выполнения криостата, позволяющих осуществлять устранение нарушения рабочего температурного режима охлаждаемого фотоприемника, стабилизацию рабочей температуры фотоприемника, расположенного на охлаждаемой платформе.
Указанные конструктивные особенности заключаются в том, что в криостате с рабочей камерой и баллоном для сжиженного газа 6, на котором в рабочей камере смонтирована охлаждаемая платформа, баллон для сжиженного газа 6 снабжен дренажной трубкой 1 для выхода паров выкипающего газа (см. Фиг.1) за пределы криостата на атмосферу. Дренажная трубка 1 выполнена с возможностью размещения ее холодного конца вблизи охлаждаемой платформы в области скопления паров выкипающего газа, образующейся при ориентации криостата входным окном в бок (см. Фиг.1, а) и в)), входное окно ориентировано вертикально), входным окном вверх (см. Фиг.1, г)), входное окно ориентировано горизонтально), и промежуточных положениях, кроме положения входным окном вниз (см. Фиг.1, б)), а теплого конца - с возможностью выхода за пределы баллона для сжиженного газа 6 и, в частности, за пределы криостата.
В общем случае выполнения (см. Фиг.1, а)-г)) заявляемый заливной криостат для приемника инфракрасного излучения содержит корпус с входным окном, рабочую камеру с охлаждаемой платформой, заливной узел криостатирования охлаждаемой платформы в виде баллона для сжиженного газа, дренажную трубку для выхода паров выкипающего газа. Рабочая камера с охлаждаемой платформой, заливной узел криостатирования охлаждаемой платформы в виде баллона для сжиженного газа размещены во внутреннем объеме криостата, ограничиваемом корпусом. Охлаждаемая платформа размещена напротив входного окна криостата и смонтирована на баллоне для сжиженного газа 6. Баллон для сжиженного газа 6 снабжен дренажной трубкой 1 для выхода паров выкипающего газа. Дренажная трубка 1 выполнена с возможностью размещения ее холодного конца вблизи охлаждаемой платформы в области скопления паров выкипающего газа, образующейся при ориентации криостата входным окном относительно горизонта в горизонтальном (см. Фиг.1, г)) - входным окном вверх, вертикальном (см. Фиг.1, а) и в)) - входным окном в бок и промежуточных положениях, кроме положения входным окном вниз (см. Фиг. б)), а теплого конца - с возможностью выхода за пределы баллона для сжиженного газа 6.
Корпус снабжен передним фланцем, в котором выполнено входное окно, напротив которого расположена охлаждаемая платформа. Охлаждаемая платформа, смонтированная на баллоне для сжиженного газа 6, выполнена соосно с входным окном криостата. Кроме того, другие конструктивные элементы криостата, в частности, баллон для сжиженного газа 6, корпус криостата выполнены также соосно.
В криостате баллон для сжиженного газа 6, в частности, снабжен заливной горловиной из коаксиально расположенных трубок (см. Фиг.1, д)), теплый конец дренажной трубки 1, реализованный с возможностью выхода за пределы баллона для сжиженного газа 6 и, в том числе, за пределы криостата, выведен коаксиально через заливную горловину (см. Фиг.1, д)). Дренажная трубка 1 для выхода паров выкипающего газа - азота выполнена из стали 12Х18Н10Т, размер, мм: ⌀3×0,2. Дренажная трубка 1 вварена во внутреннем объеме криостата с возможностью ее фиксации к конструктивным элементам криостата, расположенным во внутреннем объеме, например, к корпусу контейнера под сорбент (см. Фиг.1, а)-г)).
Баллон для сжиженного газа 6 снабжен фторопластовой заглушкой 2 (см. Фиг.1, д)), установленной в заливной горловине криостата, препятствующий вытеканию сжиженного газа - азота через заливную горловину, теплый конец дренажной трубки 1 выведен через заглушку 2 сквозным образом. Кроме того, в заливной горловине для герметизации установлена уплотнительная прокладка 3 (см. Фиг.1, д)). Уплотнительная прокладка 3 выполнена из резины. Также заливная горловина снабжена навинчиваемой на нее медной втулкой 4 для уплотнения резиновой прокладки и снабжена дополнительно шайбой 5. При этом шайба 5 и уплотнительная прокладка 3 установлены между навинчиваемой на заливную горловину втулкой и фторопластовой заглушкой 2 (см. Фиг.1, д)).
Баллон для сжиженного газа 6 выполнен из меди. Использование данного материала преследует цель стабилизации температуры криостатирования относительно охлаждаемой платформы по мере выкипания жидкого азота при работе криостата в положении входным окном вверх.
Таким образом, приведенное конструктивное выполнение криостата обеспечивает возможность его работы не только в горизонтальном положении - входным окном вбок, в вертикальном положении - входным окном вниз и во всех промежуточных положениях между ними, что характерно для прототипа, но также обеспечивает возможность его работы в вертикальном положении - входным окном вверх и во всех промежуточных положениях от горизонтального до вертикального положения - входным окном вверх. Предлагаемый заливной криостат «держит» жидкий азот до полного его выкипания во всех указанных положениях не менее 9 часов при емкости баллона для сжиженного газа около 210 мл. Масса криостата составляет примерно 1,9 кг. Время удержания вакуума - не менее 12 лет.
Криостат используют следующим образом.
После предварительной проверки криостата на герметичность на охлаждаемой платформе напротив входного окна в корпусе криостата устанавливают, например, гибридную микросхему матричного или линейчатого фотоприемного устройства, герметизируют передний фланец с входным окном. В контейнер под сорбент загружают сорбент - активированный уголь. Осуществляют его заглушку и герметизацию. Устанавливают криостат на откачной пост. Криостат откачивают до рабочего уровня вакуума, герметизируют путем откусывания штенгеля. 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 6 узла криостатирования охлаждаемой платформы заливают азот (см. Фиг.1). Осуществляют выход на рабочий режим. Предлагаемый криостат гарантированно обеспечивает при расходе 210 мл жидкого азота 9 часов непрерывной работы прибора после выхода на рабочий режим, как показано на практике.