Э.А. Демьянов, канд. физ.-мат. наук, П.П. Добровольский, канд. физ.-мат. наук, П.В. Журавлев, канд. техн. наук, А.А. Сущих, Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ
КРИОСТАТИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ГАЗОВЫХ КРИОГЕННЫХ МАШИН
|
Рассматриваются базовые варианты построения криостатов для ИК
фотоприемников, охлаждаемых с помощью микрокриогенных систем замкнутого типа
на основе газовых криогенных машин, работающих по циклу Стирлинга. Приведены
формулы для оценки теплопритокое в криостате, указаны пути их уменьшения.
Даны рекомендации по выбору конструкции криостатов и микрокриогенных систем |
В настоящее время для низкотемпературного (60-100 К) охлаждения ИК фотоприемников как за рубежом, так и в России выпускается целый ряд микрокриогенных систем (МКС) на основе газовых криогенных машин (ГКМ), работающих по циклу Стирлинга. Усовершенствованный вариант таких систем, где компрессор и охладитель отделены один от другого и соединены между собой гибким трубопроводом, получил название “Сплит-Стирлинг”. Отечественные МКС выпускаются в г. Москве на НПО “Орион” (АОЗТ “ОРЭКС”) и в г. Омске на АО “Сибкриотехника” (НТК “Криогенная техника”). Широкое применение систем криостатирования с использованием ГКМ, работающих в области “азотных” температур по циклу Стирлинга, определяется малыми массой, габаритными размерами и энергопотреблением по сравнению с другими системами охлаждения замкнутого типа.
Сведения, приводимые в рекламных проспектах о характеристиках выпускаемых МКС, часто недостаточны для успешного проектирования систем криостатирования. Естественно, что наиболее оптимальные системы криостатирования можно изготовить, если в рамках одного предприятия разрабатываются и изготавливаются МКС ИК фотоприемники, криостаты и оптические компоненты. Однако такая ситуация уникальна. Чаще встречается ситуация, когда разработчик использует МКС и фотоприемники (ФП) в качестве комплектующих изделий и разрабатывает систему криостатирования для различных оптико-электронных приборов. Надеемся, что рекомендации по выбору конструкций криостатов и МКС, выработанные на основе нашего опыта создания систем криостатирования на основе МКС, выпускаемых АО “Сибкриотехника” и АОЗТ “ОРЭКС”, помогут другим разработчикам более успешно преодолеть трудности при проектировании подобных систем.
Исходными данными для разработки системы криостатирования являются следующие характеристики:
· температура
криостатирования 
и точность ее
поддержания 
;
· внутреннее
тепловидение 
в;
· теплопритоки
из окружающей среды 
;
· минимальная
допустимая хладопроизводительность МКС в стационарном режиме, которая определяется
суммой тепловых потоков 
в
;
· время
выхода на рабочий режим 
;
· способ стыковки криостата и ГКМ;
· вибронагрузки;
· электромагнитная совместимость МКС и ФП;
· масса и габаритные размеры;
· энергопотребление;
· периодичность обслуживания МКС;
· наработка на отказ;
· способ охлаждения МКС;
· стоимость.
Согласно классификации, принятой на АО “Сибкриотехника”, МКС для ИК ФП условно разбиты на четыре класса (см. таблицу 1). МКС классов 1-3 выпускаются как интегрированными, так и в варианте “Сплит-Стирлинг”, в том числе с линейным приводом, МКС класса 4 – интегрированные.
Таблица 1.
|
Технические
характеристики |
Модули МКС |
|||
|
Класс 1 |
Класс 2 |
Класс 3 |
Класс 4 |
|
|
Диаметр/длина колодца ФП,
мм |
9/72,5 |
6/71 |
6/71 |
6/71 |
|
Максимальная тепловая
нагрузка от ФП при температуре 80±2 К, Вт |
1,3 |
0,75 |
0,4 |
0,2 |
|
Приведенная к температуре
криостатирования суммарная охлаждаемая масса ФП, г, не более |
10 |
7 |
4 |
1,5 |
|
Время выхода на рабочий
режим, мин, не более |
5 |
5 |
5 |
8 |
|
Потребляемая мощность, |
|
|
|
|
|
в пусковом режиме |
120 (90) |
100 |
30 |
12 |
|
в рабочем режиме |
70 |
50 |
20 |
8 |
|
Питание от сети
постоянного тока, В |
|
|
|
|
|
Средняя наработка на
отказ, ч |
10000 |
10000 |
10000 |
10000 |
|
Размеры компрессора, мм |
85´85´250 |
Æ65´200 |
Æ50´150 |
48´101´116 |
|
Масса МКС, кг, не более |
5 |
3 |
1,5 |
0,6 |
Криостаты по способу стыковки с ГКМ можно разбить на две группы (см. рис. 1):
· криостаты, интегрированные с ГКМ;
· криостаты автономные, стыкуемые с ГКМ различными способами.
|
|
|
Рис. 1. Схемы интегрированного (а) и автономного (б) криостатов |
Интегрированные криостаты представляют собой единую, неразъемную конструкцию с ГКМ. Сравнительный анализ различных способов стыковки ГКМ и криостатов приводится в [1]. Следует отметить, что единственным преимуществом интегрированных криостатов по сравнению с автономными – максимальное использование хладопроизводительности ГКМ охлаждаемым объектом. Этот вариант стыковки можно рекомендовать только в том случае, когда энергопотребление и массогабаритные характеристики выступают на первый план. Такой вариант стыковки применяется, например, в ручных тепловизионных камерах. В случаях, когда требуется реализовать предельные фотоэлектрические параметры оптико-электронного прибора, автономные криостаты предпочтительнее.
При построении тепловизионной аппаратуры для наземных средств и летательных аппаратов требования к массогабаритным характеристикам и энергопотреблению менее жесткие, чем для ручных тепловизионных камер, поэтому для этих целей можно рекомендовать автономные криостаты, стыкуемые с МКС классов 1-3, которые выпускаются в варианте “Сплит-Стирлинг”.
В АО “Сибкриотехника” разработаны и реализованы способы пассивной виброизоляции [2]. Виброизоляция ГКМ от корпуса криостата осуществляется в холодной зоне через демпфирующее устройство, передающее холод от головки охладителя к охлаждаемому пьедесталу, в теплой зоне – сильфоном с малой жесткостью, герметизирующим колодец криостата с охлаждаемой головкой от окружающей среды, и комплектом силовых пружин в зоне стыкованного фланца, который обеспечивает развязку стыковочного фланца ГКМ от корпуса криостата. Испытания показали, что вибрации на фотоприемнике уменьшились более чем в 2,5 раза, а вибрации на стыковочном фланце – более чем в 4 раза.
МКС с демпфирующим устройством также выпускается АО “Сибкриотехника”. Демпфирующее устройство практически не ухудшает теплопередачу при использовании в зоне контакта прослойки из мягких материалов, порошков и масел. При введении в зону контакта прослойки глицерина температурный перепад составляет всего 0,2-0,5 К [1], который компенсируется настройкой МКС на более низкую температуру криостатирования (температуру можно изменить в пределах от 60 до 100 К). Следует отметить, что демпфирующее устройство не только уменьшает вибровоздействия, но и упрощает процесс механической стыковки ГКМ с автономным криостатом.
Точность поддержания
температуры криостатирования определяется параметрами электронного блока
управления МКС, поставляемого разработчиком этих систем со штатным датчиком
температуры или с рекомендацией на допустимые параметры нештатных датчиков, и
изменениями внешних температурной и фоновой обстановки. Как правило, точность
поддержания температуры 
К.
Внутреннее тепловыделение в
определяется типом используемого ФП и для современных приемников не превышает 200 мВт.
Теплопритоки 
из окружающей
среды при вакууме в криостате 0,133-0,0133 Па (
мм рт. ст.) складываются из теплопритоков по
электрическим проводникам э и по тонкостенному колодцу 
, теплопритоков от теплых стенок криостата 
и излучения от
входного окна 
.
Проведем оценки этих теплопритоков и укажем способы их уменьшения. Согласно уравнению теплопроводности теплоприток по одному электрическому проводнику
э
,
(1)
где 
– теплопроводность; 
– разность температур
между горячим и холодным концом проводника; 
– сечение проводника; 
– длина проводника.
Из (1) следует, что нужно
выбирать проводники с малыми , и по возможности с
большей длиной. Используя данные справочника [3], находим, что Ni вполне
подходящий материал – (80 К)
Вт×м-1×К-1; (300 К)
Вт×м-1×К-1.
Принимая, что 
Вт×м-1×К-1,
диаметр 
мкм,
м
и 
К, получаем э
мВт. Для матричных ФП число выводов может доходить до
30 и более, а теплопритоки по проводникам 
мВт.
Использование шлейфов проводников, изготовленных методом фотолитографии на полимерных металлизированных никелевых пленках, при толщине пленки 17 мкм и ширине дорожек 50 мкм обеспечивает уменьшение теплопритоков на порядок. Следует отметить, что значительно уменьшать сечение проводника не следует, так как сопротивление их растет и в ряде случаев необходимо уже учитывать их нагрев. Использование шлейфовых соединений упрощает также борьбу с микрофонным эффектом.
Теплопритоки по колодцу,
вычисленные по формуле (1), дают 
мВт для колодца с диаметром 
мм, толщиной стенки 
мм и материалом стенки колодца 
и 
мВт для 
мкм. Применение более сложных конструкций колодца
позволяет уменьшить теплопритоки приблизительно в 2 раза.
Теплоприток от теплых стенок
криостата можно оценить по формуле [4]:
,
(2)
где 
– постоянная
Стефана-Больцмана; 
– площадь холодных
элементов криостата; 
– коэффициент
излучательной способности; 
– геометрический
коэффициент компоновки; 
, 
– абсолютные температуры
стенок криостата и холодных элементов.
Для компоновки, применяемой в криостате, можно считать:
; 
,
где 
и 
– интегральные
коэффициенты излучения (интегральная степень черноты) для холодных элементов
криостата и для теплой стенки соответственно.
Подставляя и в (2), получим:
.
(3)
Точно такая же формула
применяется для расчета калориметрическим
методом при стационарном режиме [5]. Для абсолютно черных тел при 
К и 
К имеем 
мВт/см2. Воспользуемся справочными данными
[3] для стали . У электрополированной стали 
(стенки криостата), у
меди полированной (охлаждаемый пьедестал и диафрагма) 
(при окислении
коэффициент излучения меди может увеличиться до 0,43). Обычно 
, удельные теплопритоки при этих условиях от 17 мВт/см2
при до 65 мВт/см2
при 
.
Уменьшить коэффициент излучения
холодных деталей криостата до значений, меньших 0,02, трудно, и поэтому
целесообразно поставить тепловой экран из многослойной вакуумной изоляции,
например майлара. Тогда вместо 
в формулу (3) согласно [4] будет входить:
эф
,
(4)
где и – коэффициенты
излучения противоположных поверхностей майлара; 
– число слоев.
Для двухстороннего алюминиевого
покрытия 
, 
. По формуле (3) с учетом (4) получаем 
мВт/см2 при и 
мВт/см2 при , т.е. это отношение практически не зависит от степени
черноты охлаждаемого объекта.
Теплопритоки от окна можно оценить
следующим образом. Будем считать, что входное окно смотрит на холодный объект
или закрыто блестящей алюминиевой фольгой. Пусть диаметр входного окна 
, охлаждаемого фильтра 
, расстояние между ними 
. При 
(обычная ситуация) 
, 
[4] и при 
, формула (2) принимает вид:
.
Если, например, для ИК ФП на диапазон
3-5 мкм использовать в качестве материала входного окна и фильтра сапфир,
то согласно [5] 
. При 
см и К получим теплоприток на фильтр 
Вт. Просветление окна и интерференционный отрезающий
фильтр на 3 мкм практически не изменяют ситуацию, так как основная доля
излучения приходится на диапазон 5-16 мкм, где и 
практически остались
прежними.
Это очень большой теплоприток,
поэтому желательно использовать материалы для входного окна и фильтра такие,
чтобы при просветлении окна и изготовлении интерференционного полосового
фильтра (например, Ge), смотрящие друг на друга
поверхности имели в диапазоне длин волн от 3 до 16 мкм минимальные
коэффициенты излучения. При 
теплопритоки за счет
излучения от входного окна малы по сравнению с суммой теплопритоков э
в
и не учитываются
при определении тепловой нагрузки на ГКМ.
Однако тепловое излучение внутри криостата необходимо сводить к минимально возможным значениям и по другой причине, а именно – для уменьшения внутреннего фонового потока в полосе пропускания фильтра в идеальном случае до значений, когда число фотоносителей в полупроводнике, обусловленных внутренним фоном, меньше или равно числу носителей тока, обусловленных тепловой генерацией, правда, не всегда этого можно добиться.
Время выхода на рабочий режим определяется теплоемкостью и массой охлаждаемых элементов, суммарными теплопритоками и хладопроизводительностью ГКМ в пусковом режиме и приводится разработчиком вместе с условиями, при которых оно получено. Хладопроизводительность в пусковом режиме обычно в 1,5 раза выше, чем в рабочем режиме.
Выше мы уже говорили о способах стыковки криостата с ГКМ и пассивной виброизоляции криостата. Добавим, что при разработке криостата надо учитывать еще и спектр виброускорений, который проще получить от разработчика МКС, чем самому исследовать этот вопрос. При разработке конструкции криостата следует избегать резонансных явлений. Некоторые сведения о частотном спектре ГКМ, разработанных в АО “Сибкриотехника”, приведены в [2]. Сравнительные оценки виброактивности отечественных и зарубежных образцов ГКМ типа “Сплит Стирлинг” приведены в [6]. Следует отметить, что, чем меньше хладопроизводительность ГКМ, тем ниже вибровоздействия.
Электромагнитная совместимость МКС и ФП наиболее просто достигается в варианте ГКМ типа “Сплит-Стирлинг”, в этом случае компрессор с электродвигателем и блок управления МКС располагаются вдали от охладителя и криостата с ФП и блоком обработки фотосигнала, при этом их легче разделить электромагнитным экраном. Разработчик МКС может поставить вариант криогенной машины с гальванической развязкой между корпусом ГКМ и корпусом криостата.
Энергопотребление и массогабаритные характеристики напрямую связаны с хладопроизводительностью (см. таблицу 1).
Наработка на отказ и периодичность обслуживания связана как с механическим изнашиванием трущихся деталей ГКМ, так и с загрязнением гелия и падением его давления. В настоящее время наиболее отработаны МКС класса 1, они имеют время наработки на отказ не менее 10 000 ч, при этом не требуют обслуживания в течение этого срока. МКС класса 4 имеют время наработки на отказ не более 3000 ч и периодичность замены гелия около полугода.
Отвод теплоты от МКС может осуществляться за счет теплопередачи от компрессора и охладителя к корпусу ИК системы путем естественной конвекции или, если этого недостаточно, то принудительно – с помощью вентилятора.
В заключение следует отметить, что расчеты, выполненные по приведенным формулам для оценки теплопритоков, хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными нами на автономных криостатах с использованием МКС НТК “Криогенная техника” (г. Омск) типа МСМГ-5А-1,7/80 и интегрированного криостата с использованием МКС АОЗТ “ОРЭКС” (г. Москва) типа ИСМО с хладопроизводительностью 0,2 Вт.
При современном развитии
технологии теплопритоки в системах криостатирования за счет теплового излучения
можно свести к значениям, когда ими можно пренебречь по сравнению с внутренним
тепловыделением в и
теплопритоком 
по стенкам колодца.
Показано, что автономные криостаты предпочтительнее криостатов, интегрированных с ГКМ, за исключением случая, когда энергопотребление и массогабаритные характеристики являются определяющими.
Список литературы
1. Грезин А.К., Зиновьев В.С. Микрокриогенная техника. М.: Машиностроение, 1977. С. 171-174.
2. Оливер В.И., Атепалихина З.И., Петрова В.А. Снижение вибровоздействия ГКМ Сплит-Стирлинг на охлаждаемую аппаратуру. Криогенное оборудование и криогенные технологии: Сб. научн. тр. Вып. 1. Ч. 1 / Под ред. А. К. Грезина. Омск: АО “Сибкриотехника”. 1977. С. 86-88.
3. Кожевников И.Г., Новицкий Л.А. Теплофизические свойства материалов при низких температурах. М.: Машиностроение. 1982. 328 с.
4. Справочник по инфракрасной технике / Под ред. У. Волфа, Г. Цисиса: Пер. с англ. под. ред. Н.В. Васильченко, М.М. Мирошникова. М.: Мир. 1999. Т. 3. С. 355-372.
5. Новицкий Л.А., Степанов Б.М. Оптические свойства материалов при низких температурах: Справ. М.: Машиностроение. 1980. 224 с.
6. Оливер В.И., Петрова В.А. Сравнительная оценка виброактивности отечественных и зарубежных образцов ГКМ Сплит-Стирлинг. Криогенное оборудование и криогенные технологии: Сб. научн. тр. Вып. 1.4. 1 / Под. ред. А.К. Грезина. Омск: АО “Сибкриотехника”. 1997. С. 89-96.
| Наверх |