КРИОСТАТ ДЛЯ ПРИЕМНИКА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
CRYOSTAT FOR INFRARED RADIATION RECEIVER

Изобретение относится к конструктивным элементам регистрирующей техники, а именно к элементам конструкции фоточувствительных приборов, предназначенных для регистрации инфракрасного излучения, в частности к криостатам для охлаждаемых многоэлементных фотоприемников.
Известен криостат для приемника инфракрасного излучения (патент РФ №64744 на полезную модель, МПК: 8 F25B 19/02), содержащий корпус, размещенные в корпусе охлаждаемую платформу и узел криостатирования охлаждаемой платформы, в корпусе установлен закрепленный в оправе вакуумированный сосуд Дьюара с внешним и внутренним входными окнами, расположенными напротив охлаждаемой платформы, при этом оправа вакуумированного сосуда Дьюара соединена с узлом криостатирования охлаждаемой платформы, а между корпусом и сосудом Дьюара установлен упругий элемент, закрепленный на внешнем входном окне сосуда Дьюара. Упругий элемент изготовлен в виде распорной пружины, состоящей из крепежного кольца и присоединенной к нему конической поверхности с выполненными в ней равноудаленными друг от друга прорезями. Узел криостатирования выполнен в виде внутреннего охлаждаемого цилиндра, стыкуемого с микрокриогенной системой охлаждения типа Стирлинга. Охлаждаемая платформа смонтирована в виде основания охлаждаемого цилиндра узла криостатирования.
К недостаткам известного технического решения относятся относительно высокие теплопритоки, а также невысокая устойчивость к внешним механическим воздействующим факторам. Указанные недостатки обусловлены следующими причинами.
Рассматриваемый криостат относится к газонаполненным, например осушенным азотом криостатам, содержащим стеклянный вакуумированный сосуд Дьюара. В качестве меры повышения устойчивости криостата к внешним механическим воздействиям, повышения вибропрочности и виброустойчивости в нем выполнен упругий элемент в виде распорной пружины, предназначенный для удержания сосуда Дьюара в рабочем фиксированном положении при возникновении вибраций. Однако указанная мера не обеспечивает должной жесткости охлаждаемой платформы, на которой расположен кристалл с фоточувствительными элементами, относительно корпуса криостата.
Кроме того, для приведенного конструктивного решения характерно отсутствие специальных мер, направленных на снижение теплопритоков. Для охлаждаемого цилиндра узла криостатирования характерно наличие температурного градиента с минимальной температурой в области его основания, на котором монтируется охлаждаемая платформа и крепится матрица фоточувствительных элементов. В конструктивном решении просматривается стремление к снижению охлаждаемой массы криостата, что направлено на компенсацию негативного влияния суммарных теплопритоков, но не устранение последних. Так, температура охлаждения упругого элемента, оправы и сосуда Дьюара значительно выше температуры самых холодных элементов криостата (около 80 К), что уменьшает их вклад в суммарную охлаждаемую массу. Изготовление упругого элемента в виде распорной пружины, состоящей из крепежного кольца и присоединенной к нему конической поверхности с выполненными в ней равноудаленными друг от друга прорезями, способствует равномерному распределению нагрузки на стенку корпуса, однако не повышает ее тепловое сопротивление. Рассмотренное техническое решение обуславливает существенное энергопотребление стыкуемой с ним микрокриогенной системы охлаждения.
В качестве ближайшего аналога выбран криостат для приемника инфракрасного излучения (патент РФ №10857 на полезную модель, МПК: 6 F25B 19/02), содержащий корпус, являющийся внешней оболочкой, размещенные в корпусе охлаждаемую платформу и узел криостатирования охлаждаемой платформы. При этом узел криостатирования выполнен в виде внутреннего охлаждаемого цилиндра, стыкуемого с микрокриогенной системой охлаждения типа Стерлинга или дроссельного типа, снабженного экраном, установленным на цилиндрическом держателе, который закреплен на боковой поверхности охлаждаемого цилиндра, а с корпусом соединен через мембрану. Мембрана снабжена отверстиями в виде дуговых щелей, расположенных рядами по окружностям, причем щели в каждом следующем ряду смещены относительно предыдущего на половину углового размера щели. Мембрана выполнена из стекла, или фотоситалла, или титанового сплава. Охлаждаемая платформа смонтирована в виде основания охлаждаемого цилиндра узла криостатирования.
К недостаткам известного технического решения относятся относительно высокие теплопритоки, а также недостаточно высокая устойчивость к внешним механическим воздействующим факторам. Указанные недостатки обусловлены следующими причинами.
Для охлаждаемого цилиндра узла криостатирования характерно наличие температурного градиента с минимальной температурой в области его основания, на котором монтируется охлаждаемая платформа и крепится матрица фоточувствительных элементов. Теплопритоки, обусловленные излучением, перехватывают экран и держатель, уменьшая суммарную величину теплопритоков к охлаждаемой зоне. Негативное влияние остальных теплопритоков компенсируется, но не устраняется за счет снижения охлаждаемой массы криостата. Температура охлаждения экрана, держателя и мембраны (около 200 К) значительно выше температуры самых холодных элементов криостата (около 80 К), что уменьшает их вклад в суммарную охлаждаемую массу. Рассмотренное техническое решение обуславливает существенное энергопотребление стыкуемой с ним микрокриогенной системы охлаждения.
В качестве меры повышения устойчивости криостата к внешним механическим воздействиям в нем выполнена мембрана, которая соединена с корпусом и держателем. Однако указанная мера не обеспечивает должной жесткости «холодной» платформы относительно «теплого» корпуса криостата. Наличие такой конструктивной особенности негативно отражается на работе фотоприемного устройства, в частности его обнаружительной способности.
Техническим результатом изобретения является:
- снижение теплопритоков, что обеспечивает снижение потребления сжиженного газа, используемого для охлаждения, или снижение энергопотребления микрокриогенной системы охлаждения;
- повышение устойчивости к внешним механическим воздействующим факторам, что обеспечивает улучшение обнаружительной способности фотоприемного устройства.
Технический результат достигается в криостате для приемника инфракрасного излучения, содержащем корпус, размещенные в корпусе охлаждаемую платформу и узел криостатирования охлаждаемой платформы, при этом узел криостатирования охлаждаемой платформы выполнен заливным в виде баллона для сжиженного газа, снабженного заливной горловиной из коаксиально расположенных трубок, на внешней поверхности которого размещена охлаждаемая платформа, или выполнен стыкуемым с микрокриогенной системой охлаждения в виде ножки криостата из коаксиально расположенных трубок, на которой размещена охлаждаемая платформа, а охлаждаемая платформа связана с корпусом посредством подвешивающих ее упругонатянутых струн.
В криостате корпус снабжен входным окном, напротив которого расположена охлаждаемая платформа.
В криостате заливная горловина выполнена из трех тонкостенных коаксиально расположенных с зазором трубок.
В криостате ножка криостата выполнена из трех тонкостенных коаксиально расположенных с зазором трубок.
В криостате коаксиально расположенные трубки выполнены размерами, мм: ⌀8×0,2; ⌀10×0,2; ⌀12×0,2, в качестве материала трубок использована нержавеющая сталь.
В криостате струны выполнены максимально возможной длины из материала, обеспечивающего им высокую механическую прочность и низкую теплопроводность, и расположены в плоскости, параллельной плоскости охлаждаемой платформы.
В криостате 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.
В криостате охлаждаемая платформа выполнена из меди, а промежуточные детали - из нержавеющей стали.
В криостате в качестве материала струн использована проволока марки Х20Н80.
В криостате по заливная горловина поверх коаксиально расположенных трубок снабжена фторопластовым колпачком.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.
На Фиг.1 представлен упрощенный эскиз заливного криостата, где 1 - охлаждаемая платформа; 2 - заливная горловина; 3 - струны; 4 - проушины. На Фиг.2 представлен упрощенный эскиз криостата, стыкуемого с газовой криогенной машиной, где 1 - охлаждаемая платформа; 3 - струны; 5 - ножка криостата; 6 - ролики. На Фиг.3 представлена таблица сравнения теплотехнических характеристик конструктивных элементов криостатов, ответственных за теплопритоки, и приведены величины суммарных теплопритоков предлагаемых усовершенствованных криостатов.
Достижение технического результата базируется на введении в конструкцию криостатов элемента, выполненного из коаксиально расположенных трубок (позиция 2, см. Фиг.1; позиция 5, см. Фиг.2), и упругих струн (позиция 3, см. Фиг.1 и 2). Использование в заливной горловине 2 и ножке криостата 5 коаксиально расположенных трубок, например, размерами, мм: ⌀8×0,2; ⌀10×0,2; ⌀12×0,2, установленных относительно друг друга с зазором, способствует снижению теплопередачи за счет наличия зазоров, заполненных газообразной средой, повышающих за счет сниженной теплопередачи по газу тепловое сопротивление заливной горловины 2 или ножки криостата 5, в результате чего обеспечивается снижение теплопритоков. Более низкая величина теплопритоков приводит к снижению потребления сжиженного газа, используемого для охлаждения, в случае выполнения криостата заливным, или снижению энергопотребления микрокриогенной системы охлаждения, когда криостат выполнен стыкуемым с микрокриогенной системой (МКС) охлаждения, например, реализующей цикл Стерлинга.
Наличие в конструкции упругих струн 3 придает жесткость охлаждаемой платформе 1 относительного «теплого» корпуса криостата. Система подвеса охлаждаемой платформы 1 на упругонатянутых струнах 3, закрепленных на корпусе криостата, увеличивает жесткость системы «теплый» корпус - «холодная» платформа за счет уменьшения ее амплитуды колебаний при нагрузках ударного и вибрационного характера и таким образом осуществляется повышение устойчивости к внешним механическим воздействующим факторам.
С другой стороны, сравнение предлагаемого технического решения с выбранными аналогами показывает, что использование в качестве элемента, обеспечивающего устойчивость к внешним механическим воздействующим факторам, упругонатянутых струн вместо упругого элемента в виде распорной пружины или мембраны, способствует дополнительному снижению теплопритоков. Возможность последнего обусловлена тем, что система упругонатянутых струн обладает большим тепловым сопротивлением по сравнению с указанными элементами известных конструкций.
Предлагаемый криостат для приемника инфракрасного излучения в общем случае содержит корпус, размещенные в корпусе охлаждаемую платформу 1 и узел криостатирования охлаждаемой платформы. Причем имеются альтернативы при выполнении последнего. Узел криостатирования охлаждаемой платформы 1 выполняют заливным в виде баллона для сжиженного газа, снабженного заливной горловиной 2 из коаксиально расположенных трубок (см. Фиг.1). При этом охлаждаемая платформа 1 размещена на внешней поверхности баллона (см. Фиг.1). Либо узел криостатирования выполняют стыкуемым с микрокриогенной системой охлаждения в виде ножки криостата 5 из коаксиально расположенных трубок (см. Фиг.2). В этом случае охлаждаемая платформа 1 расположена на ножке криостата 5 (см. Фиг.2). Как в первой, так и во второй альтернативе выполнения, охлаждаемая платформа 1 связана с корпусом посредством подвешивающих ее упруго натянутых струн 3.
Корпус криостата снабжен входным окном, напротив которого расположены охлаждаемая платформа 1 с закрепленной на ней матрицей фоточувствительных элементов и охлаждаемая апертурная диафрагма.
В частном случае реализации в криостате заливная горловина 2 (см. Фиг.1) или ножка криостата 5 (см. Фиг.2) выполнены из трех тонкостенных коаксиально расположенных с зазором трубок, размеры которых составляют, мм: ⌀8×О,2; ⌀10×0,2; ⌀12×0,2. При этом в качестве материала трубок использована нержавеющая сталь.
Заливная горловина (2) для предотвращения образования инея и наледи поверх коаксиально расположенных трубок снабжена фторопластовым колпачком (см. Фиг.1).
В криостате для подвеса охлаждаемой платформы 1 используют упругонатянутые струны 3 максимально возможной длины, располагая их соответствующим образом в объеме корпуса криостата. В частном случае реализации криостата струны 3 расположены в плоскости, параллельной плоскости охлаждаемой платформы 1, причем струны 3 располагаются по периметру четырехугольника с прямыми углами. «Теплые» концы струн соединены с корпусом, а «холодные» - с охлаждаемой платформой 1. Геометрия расположения струн показана на Фиг.1 и 2. «Теплые» концы струн соединены с корпусом сваркой, которая осуществляется в натянутом состоянии. «Холодные» концы струн соединены с охлаждаемой платформой посредством промежуточных деталей, механически закрепленных к охлаждаемой платформе 1. Охлаждаемая платформа 1 выполнена из меди, а промежуточные детали, проушины 4 (см. Фиг.1) и ролики 6, ввернутые с тыльной стороны охлаждаемой платформы 1 (см. Фиг.2), из нержавеющей стали. В качестве материала, обеспечивающего натянутым струнам 3 высокую механическую прочность и низкую теплопроводность, использована проволока марки Х20Н80. Выполнение струн максимально возможной длины обеспечивает дополнительное снижение теплопритоков по ним.
В таблице, представленной Фиг.3, приведены расчетные данные сравнения теплотехнических характеристик по конструктивным элементам криостатов, ответственных за наличие теплопритоков, и суммарные теплопритоки предлагаемых усовершенствованных криостатов. Значения суммарных теплопритоков обеспечены за счет вышерассмотренных усовершенствований элементов криостата, таких как заливная горловина 2, ножка криостата 5, элементов крепления - струн 3 для охлаждаемых частей криостатов - охлаждаемой платформы 1, а также за счет подавления теплопритоков, обусловленных излучением, путем экранирования внутренних теплых поверхностей майларом и экранирования поверхности входного окна из сапфира путем напыления индия, исключая апертурные окна. Величины суммарных теплопритоков для заливного и стыкуемого с микрокриогенной системой (МКС) охлаждения криостатов равны соответственно, 690 и 500 мВт, при этом температура окружающей среды составляет 298 К, а температура криостатирования - 80 К. При выполнении криостата заливным вклад в указанные теплопритоки за счет упруго натянутых струн 3 в количестве четырех штук при их диаметре 0,8 мм, длине 45 мм составляет 61 мВт (см. Фиг.1), а для криостата, стыкуемого с микрокриогенной системой (МКС) охлаждения, вклад в теплопритоки за счет упруго натянутых струн 3 в количестве четырех штук при их диаметре 0,3 мм, длине 36 мм равен 11 мВт (см. Фиг.2). Заливная горловина 2, выполненная из трех тонкостенных коаксиально расположенных трубок размерами, мм: ⌀8×0,2×34; ⌀10×0,2×28; ⌀12×0,2×30 вносит вклад в теплопритоки, равный 170 мВт (см. Фиг.1), а заливная горловина, выполненная из одной тонкостенной трубки размером, мм: ⌀8×0,2×36 вносит вклад в теплопритоки, равный 370 мВт. Нетрудно видеть, что разница по теплопритокам в отношении заливной горловины составляет 200 мВт. Ножка криостата 5, выполненная в составе трех тонкостенных коаксиально расположенных трубок размерами, мм: ⌀8×0,2×62; ⌀10×0,2×55; ⌀12×0,2×57, обеспечивает вклад в теплопритоки, равный 95 мВт (см. Фиг.2), а ножка криостата, выполненная в виде одной тонкостенной трубки размером, мм: ⌀8×0,2×65 дает вклад в теплопритоки, равный 203 мВт. Разница в этом случае составляет 108 мВт.
Предлагаемый криостат для приемника инфракрасного излучения используется следующим образом.
После предварительной проверки криостата на герметичность на охлаждаемой платформе 1 напротив входного окна в корпусе криостата устанавливают, например, гибридную микросхему матричного или линейчатого фотоприемного устройства. При выполнении криостата заливным в ячейку (см. Фиг.1) под гранулированный геттер засыпают последний. Геттер предназначен для адсорбирования остаточных газов при выходе и поддержании вакуума на рабочем уровне. В криостатах, стыкуемых с микрокриогенной системой охлаждения, используют периодически прогреваемый геттер. Криостат герметизируют, откачивая до рабочего уровня вакуума. После этого 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 узла криостатирования охлаждаемой платформы 1 заливают азот (см. Фиг.1). При выходе на рабочий режим наличие в заливной горловине 2 коаксиально расположенных трубок, установленных относительно друг друга с зазором, обеспечивает снижение теплопритоков до величин, указанных в таблице (см. Фиг.3), а использование струн 3 для подвеса охлаждаемой платформы 1 не только придает жесткость системе «холодная» платформа - «теплый» корпус, осуществляя тем самым повышение устойчивости к внешним механическим воздействующим факторам, но и способствует дополнительному снижению теплопритоков по сравнению с вышеприведенными известными техническими решениями. Предлагаемый криостат в заливном варианте обеспечивает при расходе 200 мл жидкого азота до 12 часов непрерывной работы прибора после выхода на рабочий режим.
В альтернативном варианте выполнения криостата (см. Фиг.2) охлаждение до криогенных температур (80 К) осуществляют использованием микрокриогенной системы охлаждения, которая стыкуется посредством ножки криостата 5. При выходе на рабочий режим наличие в ножке криостата 5 коаксиально расположенных трубок, установленных относительно друг друга с зазором, обеспечивает снижение теплопритоков до величин, указанных в таблице (см. Фиг.3), а использование струн 3 для подвеса охлаждаемой платформы 1 не только придает жесткость системе «холодная» платформа - «теплый» корпус, осуществляя тем самым повышение устойчивости к внешним механическим воздействующим факторам, но и способствует дополнительному снижению теплопритоков по сравнению с вышеприведенными известными техническими решениями.