ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемая полезная модель относится к инфракрасной технике, в частности, охлаждаемым фотоприемным устройствам (ФПУ) для обнаружения инфракрасного (ИК) излучения, и может быть использована в приборах наведения с газобаллонной системой охлаждения брызгающего типа.
Известно фотоприемное устройство с микроохладителем, в котором корпус состоит из обечаек, выполненных из нержавеющей стали и ковара. Внутри корпуса расположен стеклотекстолитовый цилиндр, на торце которого на медном хладопроводе установлен охлаждаемый приемник излучения. Охлаждение осуществляется разбрызгиванием хладагента из дроссельной дюзы в область медного хладопровода (см. Б.Н. Формозов. Аэрокосмические фотоприемные устройства видимого и инфракрасного диапазона, СПб, 2004, с 83-84). При этом достигается равенство температуры приемника излучения и хладагента. Для приборов такого типа важными параметрами являются время выхода на рабочий режим и автономная работа прибора (без подачи хладагента), поэтому конструкционные материалы (нержавеющая сталь, медь, ковар, стеклотекстолит) подобраны по теплопроводности и теплоемкости так, чтобы минимизировать охлаждаемую массу. Тем не менее, такой микроохладитель не обеспечивает современных требований к автономной работе.
Известно наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому фотоприемное устройство с микроохладителем, содержащим корпус, на котором установлена камера-накопитель с расположенными на его торцевой поверхности хладопроводом и приемником излучения, к которым через входную трубку направлен поток хладагента, (см. Е.И. Акулов и др. Техническая подготовка командира взвода ПЗРК 9К38 «Игла». Учебное пособие. Издательство томского политехнического университета, 2011 г., с. 22). Однако в такой конструкции также не обеспечивается необходимое время автономной работы прибора из-за недостаточной теплопроводности и сравнительно высокой плотности материала хладопровода.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, и техническим результатом при ее использовании является увеличение времени автономной работы фотоприемного устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что микроохладитель фотоприемного устройства содержит закрепленную в корпусе заполненную аккумулирующим холод материалом накопительную камеру, на торце которой расположен приемник излучения, а в отверстие в ее основании вмонтирована трубка подачи хладагента, причем торцевая и боковая стенки накопительной камеры выполнены из бериллия. В частном случае выполнения в качестве аккумулирующего холод материала может быть использовано супертонкое кварцевое волокно.
Новым в предлагаемой полезной модели является изготовление из бериллия стенок накопительной камеры.
Выполненные из бериллия стенки накопительной камеры - эффективный хладопровод с теплопроводностью в 3 раза выше теплопроводности меди при азотной температуре. Выбор материала с более высокой теплопроводностью, малой плотностью и теплоемкостью материала дает возможность увеличить время автономной работы прибора.
Сравнение характеристик предложенного материала бериллия и традиционно используемой меди дает возможность оценить увеличение времени автономной работы следующим образом.
3
3
Теплопроводность бериллия - 1600 Вт/мк, меди - 560 Вт/мк при 80 К; плотность бериллия - 1.848 г/см, меди - 8,96 г/см, теплоемкостью бериллия - 164,4 Дж/кг·к, меди - 244,3 Дж/кг·к).
При неизменном времени выхода на режим охлаждаемого приемника излучения до рабочей температуры применение бериллия дает возможность увеличить размеры накопительной камеры, что в свою очередь увеличивает объем хладагента в накопительной камере, и как следствие - время испарения жидкого хладагента (азота). Время удержания ФПУ на уровне рабочей температуры криостатирования (около 80 К) определяется из уравнения баланса
ρ
где Е - Vr - запас «холода» в накопителе ФПУ,
∑
Q - суммарный теплоприток,
τ - время испарения хладагента (азота),
r - скрытая теплота испарения хладагента (азота),
r=198 Дж/г,
V - объем накопителя,
ρ - плотность жидкого азота,
3
ρ=0,808 г/см,
3
Из формулы (2) видно, что время испарения хладагента прямо пропорционально увеличению объема хладагента. Изменение суммарного теплопритока конструкции (за счет удлинения накопителя) незначительно и при расчетах можно пренебречь. Охлаждаемой массой супертонкого кварцевого волокна также можно пренебречь из-за его малой плотности = 0,02 г/см.
Плотность бериллия 4,8 раза меньше чем плотность меди (материал накопителя у существующих аналогов), а теплоемкость в 1,5 раза меньше, а значит охлаждаемая масса в медном эквиваленте накопителя из бериллия тех же габаритов в 7 раз меньше.
Учитывая вышеизложенное можно считать, что объем накопительной камеры, а, следовательно, и время автономной работы можно увеличить в несколько раз без ухудшения других теплофизических параметров ФПУ (времени охлаждения до заданной температуры).
В качестве аккумулирующего холод наполнителя накопительной камеры целесообразно использовать супертонкое кварцевое волокно из-за его незначительной плотности и высокой адгезионной способности, способной удерживать хладагент (жидкий азот) в накопительной камере независимо от пространственного положения ФПУ.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема фотоприемного устройства.
Фотоприемное устройство содержит корпус 1 и закрепленную в нем накопительную камеру, торцевая 2 и боковая 3 стенки которой выполнены из бериллия. В отверстие в основании 4 вмонтирована трубка 5, предназначенная для подачи хладагента в накопительную камеру. Снаружи накопительной камеры на торцевой поверхности 2 расположен приемник излучения 6, внутренняя полость накопительной камеры заполнена супертонким кварцевым волокном 7.
В процессе работы ФПУ происходит захолаживание приемника излучения до криогенной рабочей температуры микрохолодильником, работающим от баллона высокого давления, заполненного хладагентом, в частности, азотом. Струя сжиженного газа через трубку подачи хладагента поступает в накопительную камеру, на торцевой поверхности которой расположен приемник излучения. Благодаря выполнению стенок накопительной камеры из бериллия, обладающего меньшей плотностью, меньшей теплоемкостью и большей теплопроводностью по сравнению с традиционно используемыми материалами (медью, коваром, нержавеющей сталью) обеспечивается возможность увеличения объема накопительной камеры и как следствие увеличение времени его автономной работы без уменьшения быстродействия ФПУ.
Предложенная конструкция была разработана для охлаждаемого дроссельным микрохолодильником «брызгающего типа» быстродействующего матричного фотоприемного устройства на основе полупроводникового материала InSb, применяемого для обнаружения объектов в инфракрасном диапазоне. Основные элементы конструкции были изготовлены из следующих материалов: корпус - из титанового сплава ВТ6С, накопительная камера - из берилия, в качестве материала входного окна использовался Ge. В отверстие в основании накопительной камеры вставлялась трубка, крепление которой осуществлялось приклейкой клеем «Криосил». Изготовление деталей из бериллия производилось методами прецизионной механической обработки на токарном станке с ЧПУ при соблюдении соответствующих норм санитарной безопастности. После изготовления деталей соединение элементов конструкции между собой, а также крепление приемника излучения на торцевую поверхность накопительной камеры, проводилось при помощи клея, работающего при криогенных температурах (например криотек, криосил, УК-1). Использование для изготовления накопительной камеры (торцевой и боковой стенки) бериллия, обладающего более высокой теплопроводностью, малой плотностью и теплоемкостью материала, позволяет увеличить объем накопительной камеры без увеличения охлаждаемой массы прибора.
Таким образом, в предложенной конструкции происходит быстрое охлаждение приемника излучения за счет накопителя, изготовленного из бериллия, обладающего высокой теплопроводностью. Увеличенное время автономной работы реализовано за счет увеличения объема накопительной камеры, заполненной супертонким кварцевым волокном, способным удерживать хладагент (жидкий азот) в накопительной камере независимо от пространственного положения ФПУ.