Криостат для приемников излучения

Предлагаемая полезная модель относится к элементам конструкции охлаждаемых фоточувствительных приборов, предназначенных для обнаружения электромагнитного излучения, в частности, к криостатам для охлаждаемых приемников инфракрасного (ИК) излучения.
Известен криостат для охлаждаемых приемников ИК-излучения, содержащий корпус, размещенный внутри корпуса полый держатель, выполненный из диэлектрического материала, и фоточувствительный элемент (ФЧЭ), установленный на наконечнике держателя (см. патент США №4487037, F17С 3/085, опуб. 11.12.1984 г.). Недостатком этого устройства является недостаточная механическая прочность соединения криостата с металлическим пальцем охлаждающего устройства, что приводит к низкой надежности прибора при эксплуатации, например, при повышенных вибрационных нагрузках, например, от работающего двигателя транспортного средства, на котором размещен приемник, рельефа местности и др.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является криостат для приемников ИК излучения, содержащий корпус с входным окном, размещенный внутри корпуса держатель и ФЧЭ, установленный на наконечнике держателя (см. патент РФ №137095, F 25 В 19/00, опуб. 27.01.2014 г.). Для повышения виброустойчивости и вибропрочности приемника излучения держатель изготовлен из высокопрочного сплава 29НК-ВИ, что в итоге повышает надежность работы приемника.
Недостатком этого криостата является высокий коэффициент теплопроводности материала держателя при криогенных температурах (9,1 Вт/м⋅К при 80К), что приводит к увеличению тепловых потерь криостата за счет теплопритоков к ФЧЭ по стенке держателя.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание криостата для охлаждаемых приемников ИК-излучения, способного удерживать температуру криостатирования до заданного уровня в диапазоне температур до 65-80 К. Техническим результатом, который ее обеспечивает - снижение теплопритоков по стенке держателя.
Указанный технический результат достигается тем, что держатель криостата изготавливается из сплава, имеющего низкую теплопроводность в диапазоне температур 65-80 К, например, из титанового сплава ВТ6 или ВТ16, а толщина стенки держателя минимизируется, с целью снижения теплопритоков криостата для удержания температуры криостатирования на заданном уровне 65-80 К.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг. 1), на котором изображена конструкция криостата.
Криостат содержит корпус 1, держатель 2, на наконечнике которого установлен ФЧЭ 3. выводы электрических сигналов 4 с ФЧЭ 3, входное окно корпуса 5, фланец 6 корпуса криостата 1 и фланец 7 держателя 2. Фиксация и герметизация сборки осуществляется с помощью фланцев 6 и 7, после чего осуществляется вакуумирование полости криостата. При стыковке криостата с источником «холода», например, с микрокриогенной системой (МКС), внутрь держателя 2 вставляется теплообменник МКС 8, в котором находится газообразный хладагент под определенным давлением, и осуществляется отвод тепла от наконечника держателя.
Так как в процессе эксплуатации ФЧЭ должны криостатироваться в диапазоне температур 65-80 К, то по длине держателя возникает большой перепад температур между плоскостью расположения ФЧЭ (наконечником) и фланцем держателя, являющийся причиной возникновения теплопритоков по стенке держателя в зону криостатирования. Эти теплопритоки, снижающие эффективность работы криостата (повышающие температуру криостатирования), определяются соотношением:
где
λ - коэффициент теплопроводности материала держателя;
F - площадь сечения стенки, через которую передается тепло;
1
T - температура наконечника держателя;
2
Т - температура фланца держателя;
- длина держателя.
Площадь сечения стенки можно определить так:
где
π - математическая константа;
D - внутренний диаметр держателя, м;
S - толщина стенки держателя, м.
Подставив (2) в (1), получим:
1
2
Из (3) видно, что при прочих равных условиях (, D, Г, Т и Т) эффективность работы криостата определяется коэффициентом теплопроводности материала и толщиной стенки держателя.
Среди сплавов с низкой теплопроводностью в области криогенных температур выделяются титановые сплавы типа ВТ (Новицкий Л.А., Кожевников И.Г. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. М., «Машиностроение», 1975). В таблице №1 представлены значения коэффициентов теплопроводности для некоторых марок сплавов при температуре криостатирования 65-80 К.
Из таблицы видно, что предпочтение при выборе материала держателя следует отдавать титановым сплавам ВТ6 и ВТ16, так как у них самые низкие коэффициенты теплопроводности.
С другой стороны, величину теплопритока можно также снизить за счет уменьшения толщины стенки держателя. Однако уменьшать толщину стенки можно только до определенной величины, так как держатель, находящийся под избыточным давлением хладагента, может разрушиться. Определим необходимую толщину стенки держателя, исходя из требований прочности. Толщина стенки определяется из соотношения [Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1976]:
где
σ - допустимое напряжение материала, МПа;
р - давление хладагента внутри держателя, МПа;
D - внутренний диаметр держателя, м;
S - толщина стенки держателя, м.
После преобразования получим:
Подставив (5) в (3), получим:
1
2
Уравнение (6) устанавливает соотношение между параметром эффективности криостата (), геометрическими (D, ) параметрами держателя: теплофизическими (λ) и прочностными (σ) характеристиками материала держателя, а также рабочими параметрами системы криостатирования (р, Т, Т).
1
2
-3
-3
Для оценки эффективности предложенного технического решения зададимся следующими значениями параметров - Т=80 К, Т=300 К, =0,052 м, D=7,8⋅10 м, S=0,1⋅10 м. Воспользовавшись соотношением (3), получим:
для держателя из ВТ6 (λ=3,8 Вт/м⋅К):
для держателя из ВТ16 (λ=5,2 Вт/м⋅К) -
для держателя из 12Х18Н10Т (λ=8,1 Вт/м⋅К)-
для держателя из 29НК-ВИ (λ=9,1 Вт/м⋅К) -
Таким образом, применение предложенного криостата для приемников излучения позволяет удерживать температуру криостатирования на заданном уровне 65-80 К за счет существенного снижения теплопритока по держателю криостата до:
и
от величины теплопритока прототипа с держателем из 29НК-ВИ.