Фотоприемное устройство с хладопроводом

Предлагаемая полезная модель относится к инфракрасной технике, в частности, к полупроводниковым матричным охлаждаемым фотоприемным устройствам (МФПУ) для обнаружения инфракрасного (ИК) излучения, криостатируемым газокриогенными машинами охлаждения (ГКМ) и предназначена для применения в тепловизионных системах, устанавливаемых на стационарных или подвижных объектах.
В охлаждаемых фотоприемных устройствах (ФПУ) с большим диаметром охлаждаемой поверхности фоточувствительного поля (до 90 мм) сложно осуществить эффективный тепловой контакт между подложкой, с расположенным на ней фоточувствительным элементом (ФЧЭ), и наконечником холодного пальца ГКМ, из-за погрешностей изготовления, связанных с неплоскостностью и недостаточной чистотой обработки поверхностей подложки и наконечника холодного пальца, и как следствие, точно совместить их, что приводит к снижению площади теплового контакта между ними. В аналогичных изделиях, но при малых диаметрах (до 12-15 мм) стыковка осуществляется для компенсации неточностей изготовления и совмещения через термопроводящую смазку, эффективность термопередачи которой снижается по мере роста термоциклов, которым подвергается соединение.
Известно устройство, описанное в патенте GB 2538512 (МПК F25B 9/00, F25D 19/00 опубл. 23.11.2016 г.), в котором прижимное устройство содержит пружины, с помощью которых осуществляется плотная тепловая связь и обеспечивается тепловой контакт между криогенным холодильником и охлаждаемым объектом. Эффективность криостатирования в данной конструкции направлена на стабилизацию температуры охлаждения объекта при транспортировке и не дает максимального теплового контакта по всей площади соприкосновения.
Известно наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому, саморегулирующееся криогенное устройство по патенту US 4194119 (МПК F25D 19/00, G01J 5/16 опубл. 18.03.1980 г.), в котором узел для передачи тепла содержит пружину, способствующую тесному контакту торцевой поверхности хладопровода и матрицы. Однако в такой конструкции при охлаждении большой площади фоточувствительного поля площадь соприкосновения хладопровода и матрицы не будет максимальна, что неизбежно приводит к потере теплового контакта.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является оптимизации эксплуатационных характеристик ФП.
Технический результат при ее использовании - увеличение эффективности теплового контакта.
Указанный технический результат достигается тем, что в матричный фотоприемник, криостатируемый ГКМ, содержащий криостат с входным окном, охлаждаемую диафрагму, хладопровод с подложкой, на поверхности которого расположена матрица или набор матриц, предлагается в зазор между подложкой и наконечником холодного пальца установить подпружиненные, независимые друг от друга, минихладопроводы, которые равномерно распределят тепловую и механическую нагрузки на подложку.
Новым в предлагаемой полезной модели является установка в места соединения подложки и наконечника холодного пальца ГКМ подпружиненного хладопровода состоящего из нескольких минихладопроводов, каждый из которых содержит пружину, помещенную в телескопическую конструкцию, и имеет свой гибкий хладопровод.
За счет применения подпружиненного хладопровода, состоящего из нескольких пружин, каждая из которых помещена в свою телескопическую конструкцию и имеет свой гибкий хладопровод, увеличивается площадь соприкосновения подложки с ФЧЭ и наконечника холодного пальца, что приводит к эффективному тепловому контакту.
Дополнительным положительным эффектом, за счет применения подпружиненного хладопровода, является то, что по всему дну, на котором закреплены охлаждаемые ФЧЭ, возникает одинаковое напряжение, за счет чего подложка с ФЧЭ не деформируются и механическая нагрузка равномерно распределяется на них по всей ее площади.
Сущность полезной модели поясняется чертежами фиг. 1 и фиг. 2, на которых схематически изображены ФПУ (фиг. 1) и фрагмент, на котором изображена схема минихладопровода (фиг. 2).
Согласно фиг. 1 и формуле полезной модели, ФПУ, криостатируемое ГКМ, содержит ФЧЭ 1, расположенный на подложке 2, охлаждаемой холодным пальцем 3, на наконечнике которого 4, расположен хладопровод 5.
3
Фиг. 2 показывает, что минихладопровод представляет собой телескопическую конструкцию, состоящую из подвижной чашки 6, контактирующей посредством пружины 7 с охлаждаемой подложкой 2 и неподвижной чашки 8, закрепленной на наконечнике 4 холодного пальца 3. Внутри каждой телескопической конструкции установлен гибкий хладопровод 9, состоящий, например, из пучка графитовых нитей, торцы которого распаяны на внутренних торцевых поверхностях подвижной чашки 6 и неподвижной чашки 8. Теплопроводность гибкого хладопровода из графитовых нитей составляет (1,5-2)⋅10 Вт/мК, что в 4-5 раз превышает теплопроводность гибкого хладопровода изготовленного из медных проволок, и в 2-3 раза превышает эффективность теплопередачи через термосмазку. При термоциклировании в предложенной конструкции исключается возможность раскрытия охлаждаемого стыка и, следовательно, повышается эффективность теплового контакта.
В условиях эксплуатации ФПУ, криоститируемого ГКМ, подпружиненный хладопровод сжимается за счет того, что он состоит из нескольких телескопических конструкций, а именно из минихладопроводов. Каждый минихладопровод содержит подвижную и неподвижную чашки, между которыми расположена пружина, за счет чего площадь соприкосновения наконечника холодного пальца и фоточувствительного поля расположенного на подложке увеличивается, что приводит к эффективному тепловому контакту, а гибкий хладопровод, состоящий из графитовых нитей, также приводит к улучшению теплопроводности.
2
3
Предложенная конструкция была разработана для охлаждаемого матричного фотоприемного устройства на основе полупроводникового материала, например, InSb, применяемого для обнаружения объектов в инфракрасном диапазоне, криостатируемого ГКМ. Основные элементы конструкции были изготовлены из следующих материалов: корпус - из сплава 29 НК; холодный палец - из титанового сплава ВТ6С, в качестве материала входного окна использовался AlO. Изготовление деталей корпуса, холодного пальца производилось методами прецизионной механической обработки на станках с ЧПУ. После изготовления деталей, соединение элементов конструкции между собой осуществлялось методом лазерной сварки и высокотемпературной пайки твердыми припоями, а крепление ФЧЭ проводилось при помощи клея, работающего при криогенных температурах (например, криотек, криосил, УК-1).
Таким образом, предлагаемый ФПУ, криостатируемый ГКМ, позволяет решать задачу оптимизации эксплуатационных характеристик, путем увеличение эффективности теплового контакта, за счет применения подпружиненного хладопровода, содержащего несколько независимых друг от друга телескопических конструкций - минихладопроводов, в которых гибкие хладопроводы выполнены из графитовых нитей.