ФОТОПРИЕМНИК, КРИОСТАТИРУЕМЫЙ РАДИАЦИОННЫМ ХОЛОДИЛЬНИКОМ

Предлагаемая полезная модель относится к фотоэлектрическим полупроводниковым приборам (ФЭПП), криостатируемым бортовыми криогенными системами охлаждения (БКСО) на основе радиационных холодильников (РХ) и предназначенным для применения в составе регистрирующих ИК-систем космических аппаратов (КА).
Специфика применения БКСО на основе РХ накладывает ряд ограничений на предельные значения теплофизических параметров ФЭПП, включая значения охлаждаемой массы и теплоприток к охлаждаемой зоне ФЭПП. В то же время РХ имеет значительные преимущества перед другими системами криостатирования. РХ является полностью пассивным устройством, не требующим электропитания в режиме эксплуатации. Вследствие отсутствия подвижных частей РХ не создают вибрационных нагрузок, влияющих на качество работы аппаратуры, и обладают практически неограниченным ресурсом.
x
1-x
Известен фотоприемник, криостатируемый РХ, содержащий фоторезистивный фоточувствительный элемент (ФЧЭ) на основе CdHgTe, металлический держатель ФЧЭ со стеклометаллическими выводами и корпус с входным окном. Соединение электрических контактов ФЧЭ со стеклометаллическими выводами держателя осуществляется последовательно через промежуточный проволочный кабель. Фотоприемник размещается на изолированном радиаторе второй ступени РХ, имеющей температуру 80-100 К, сброс тепла осуществляется через поверхности РХ и кронштейн крепления ФП. (см. Завелевич Ф.С. и др, Фурье-спектрометр для дистанционного зондирования атмосферы Земли. Сборник докладов международной конференции МСАР-2006. СПб, 2006. С 224-230). Эффективность криостатирования данной конструкции невысока из-за значительного теплопритока и охлаждаемой массы ФП.
Известен наиболее близкий по технической сущности фотоприемник, криостатируемый РХ, состоящий из ФЧЭ на основе InSb, держателя ФЧЭ и корпуса с входным окном. Держатель ФЧЭ, в свою очередь, состоит из сапфировой цилиндрической стойки, на которой размещены токоведущие металлизированные дорожки, основания с металлокерамическим цоколем и гермовыводами, предназначенными для объединения электрических цепей ФП и аппаратуры КА (патент РФ на полезную модель №111642, G01J 5/02, опуб. 20.12.2011 г.). Соединение электрических контактов ФЧЭ с внешними выводами держателя осуществляется последовательно через токоведущие металлизированные дорожки, нанесенные на цилиндрическую сапфировую стойку держателя и токоведущие дорожки металлокерамического цоко
ля держателя. Конструкция характеризуется значительным количеством контактных соединений в цепи ФЧЭ-токопроводящие дорожки-гермовыводы, снижающих надежность ФП, относительно большими массо-габаритными размерами и, как следствие, предельным тепло-притоком и охлаждаемой массой.
Предлагаемая полезная модель позволяет решать задачу оптимизации эксплуатационных характеристик ФП.
Технический результат при ее использовании - снижение тепловой нагрузки на РХ.
Указанный технический результат достигается тем, что в фотоприемнике, криостатируемым радиационным холодильником, содержащем корпус с входным окном, хладопровод состоящий из металлической обоймы и керамического цоколя с гермовыводами, на который установлен фоточувствительный элемент, внешняя поверхность корпуса снабжена отражающим покрытием, а на входное окно нанесен оптический фильтр, формирующий область спектральной чувствительности фотоприемника. В частном случае металлическая обойма хладопровода может быть выполнена из меди.
ФЧЭ размещается на цоколе хладопровода, выводы ФЧЭ присоединяются непосредственно к гермовыводам хладопровода. Электрическая цепь фотоприемника формируется объединением выводов из золотой проволоки диаметром 0,05 мм фоточувствительного элемента с гермовыводами хладопровода, при этом держатель ФЧЭ с соединительным кабелем или токопроводящими дорожками отсутствует. За счет отсутствия держателя ФЧЭ с соединительным кабелем или токопроводящими дорожками фотоприемник имеет минимальные массогабаритные размеры, что способствует снижению тепловой нагрузки.
Эффективность криостатирования ФП радиационным холодильником достигается применением хладопровода, состоящего из керамического цоколя и металлической обоймы, изготовленной из материала с высокой теплопроводностью (медь), что также способствует снижению тепловой нагрузки.
На хладопроводе с ФЧЭ устанавливается корпус с входным окном, которое является одновременно оптическим фильтром за счет нанесения на него фильтрующего покрытия, формирующего области спектральной чувствительности фотоприемника. Совмещение функций входного окна с оптическим фильтром уменьшает массогабаритные размеры ФП, что снижает тепловую нагрузку, так как обычно оптические фильтры находятся в охлаждаемой зоне фотоприемника (см., например, пат РФ №132192, МПК G01J 5/02, опуб. 10.03.2013).
Внешняя поверхность корпуса имеет отражающее тепловое излучение покрытие «никель-золото», уменьшающее теплоприток к охлаждаемой зоне ФП, что также способствует снижению тепловой нагрузки.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена схема предложенной конструкции фотоприемника, криостатируемого радиационным холодильником.
Фотоприемник, криостатируемый радиационным холодильником, содержит хладопровод, состоящий из металлической обоймы 1 и керамического цоколя 2, непосредственно на котором размещен фоточувствительный элемент 3 с выводами из золотой проволоки 4. Керамический цоколь 2 имеет изолированные гермовыводы 5. На керамический цоколь 2 хладопровода с ФЧЭ 3 устанавливается корпус 6 с отражающим покрытием и входным окном 7 с оптическим фильтром.
В условиях эксплуатации отвод тепла от фотоприемника и его криостатирование осуществляется через хладопровод, состоящий из металлической обоймы и керамического цоколя, который обеспечивает эффективное охлаждение фоточувствительного элемента до температур 78-80К применением материалов с повышенной теплопроводностью.
Снижение тепловой нагрузки осуществляется за счет уменьшения массогабаритных размеров ФП относительно прототипа, совмещения функций входного окна с оптическим фильтром, отсутствия в предложенной полезной модели держателя ФЧЭ, соединительного кабеля или токопроводящих дорожек и размещения фоточувствительного элемента непосредственно на хладопроводе без дополнительных конструктивных элементов и промежуточных электрических соединений, а также за счет наличия отражающего покрытия, нанесенного на внешнюю поверхность корпуса.
x
1-x
Приведенная конструкция была реализована с созданием комплекта фотоприемников на основе InSb и CdHgTe. Фоточувствительный элемент указанных фотоприемников закреплялся конструкционным клеем типа ВТ-10 на керамическом цоколе хладопровода, изготовленном из многослойной вакуумноплотной керамики ВК-94 и имеющим гермовыводы. Материал металлической обоймы - медь бескислородная марки Моб. Керамический цоколь соединен с металлической обоймой пайкой серебросодержащим припоем ПСр-72 В. Выводы фоточувствительного элемента соединены непосредственно с гермовыводами цоколя. Образованная сборка закрывается корпусом для защиты от внешнего воздействия. Корпус имеет входное окно с оптическим фильтром из германия с нанесенным оптическим покрытием, формирующим рабочие области спектральной чувствительности фотоприемника. Внешняя поверхность корпуса имеет отражающее покрытие «никель-золото», снижающее теплоприток к охлаждаемой зоне ФП. Фотоприемник закрепляется на радиаторе радиационного холодильника с помощью отверстий в обойме хладопровода.
Таким образом, предлагаемый фотоприемник, криостатируемый радиационным холодильником, позволяет решать задачу оптимизации эксплуатационных характеристик путем снижения тепловой нагрузки на РХ, имеет минимизированные значения массогабаритных размеров, теплопритока, охлаждаемой массы, высокую надежность и изготавливается с применением современных технологических процессов, отечественных материалов и унифицированного технологического оборудования, применяемого в условиях серийного производства.