液氮致冷的紅外探測器壓控變溫系統的製作方法
2023-12-06 12:43:46
專利名稱：液氮致冷的紅外探測器壓控變溫系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及紅外光電探測器測試技術，具體涉及一種液氮致冷的紅外探測器壓控變溫系統，它是一種採用液氮致冷的、壓力控制溫度變化的變溫測試系統。
背景技術：
對於碲鎘汞紅外探測器，由於其固有的物理特性，為避免入射信號被熱噪聲淹沒，所以一般必須工作在低溫下，例如77K工作溫度，或在77K上下約15 33度的工作範圍，即約65K IlOK的溫度範圍。另外，由於碲鎘汞材料的禁帶寬度隨溫度變化，因此在碲鎘汞探測器的響應波長、暗電流特性等參數也隨溫度變化。所以，在碲鎘汞探測器研製和生產過程中，研究者特別期望一種易於實現、沒有電磁幹擾的變溫系統，對上述溫度範圍內的器件性能與溫度、器件響應波段與溫度等關係進行研究。本發明就是在這樣的背景下提出並 實現的一種實用的變溫系統。通常，為獲得65K IlOK溫度範圍的變溫系統，可以有二種途徑獲得。一是採用機械制冷機，匹配專用的杜瓦，通過杜瓦內的測溫元件反饋控制制冷機行程的方法，獲得在此溫區的任意溫度。二是一種通過機械方式提升液氮液面獲得被測器件高於77K的變溫杜瓦，或以液氮作為冷源、以電加熱達到冷熱平衡方法，使冷平面得到高於正常沸點液氮溫度的某一點低溫溫度[ZL89213854. 8]。這二種方法都有各自的問題與不足。對於機械制冷機獲得低溫變溫的方法，雖然可以獲得上述所述溫區中任意點溫度，但首先存在的最大問題是，對於小信號測試來說，由於電磁幹擾的存在，很容易對探測器微弱信號造成幹擾，從而嚴重影響了弱信號測試精度；其次，機械制冷機必須配套專用的杜瓦，耦合、樣品安裝等過程非常繁雜，也非常耗費時間，無法滿足探測器研製中快速、大量的探測器性能測試篩選的要求；再有，機械制冷機代價高昂，使用壽命有限。然而，對於採用提升液氮液面的方法獲得變溫的方法，其最大的問題是只能獲得77K以上的溫度變化，因為該方法是通過液面提升，減少液氮與冷指接觸面積的方法，減少冷量傳導，而此時其它熱損耗沒有降低，從而使被測樣品溫度高於77K ;另外，由於熱傳導的滯後效應，經常需要較長的穩定時間，控溫精度較差。
發明內容
為解決上述存在的諸多問題，本發明設計了一種壓控液氮致冷變溫系統，方便地實現被測樣品在65 IlOK溫度範圍的任意變化。本發明實現的一種液氮致冷的紅外探測器變溫測試系統，系統由二部分組成，一為氣壓控制系統，二為變溫專用變溫杜瓦系統。被測樣品安裝於專用杜瓦內。通過對杜瓦液氮容器內液面的壓力控制，實現精確溫度控制，溫度變化範圍為63K 126K。由於是壓力控制溫度變化，變溫系統沒有外加的電磁幹擾，因此特別適用於紅外探測器小信號的變溫測試。基本原理
大家知道，沸點比室溫低得多的低溫液體是在各種實驗中的主要冷源，而液氮就是最常用、最便宜的冷源。因而在紅外探測器研製中被廣泛採用作為低溫冷源。由液氮的氣液相圖(如圖I、圖2所示)，通常用溫度和壓強為坐標來表示單元系的平衡性質。圖中，氣相、液相和固相的分界線分別稱為氣化線、熔解線(凝固線)和升華線。曲線上的任意一點表示該點所給出的溫度和壓強下二相共存。氣化線的存在說明，氣液二相達到平衡(即飽和)時，溫度(沸點)和壓強(飽和蒸氣壓)之間存在一一對應的關係，氣化線又稱為飽和蒸氣壓曲線。氣化線從三相點出發，終止於臨界點。氮氣的三相點溫度與壓強及臨界點溫度與壓強見表I。表I、氮氣的性質
權利要求
1.一種液氮致冷的紅外探測器壓控變溫系統，它由氣壓控制系統和變溫專用變溫杜瓦系統構成，其特徵在於 所述的液氮致冷的紅外探測器壓控變溫系統各部件間的連接方式為系統中三通閥(10)的A端與恆壓閥(6)和壓力控制閥門(7)相連，三通閥(10)的B端與精密控制針閥(4)和真空隔斷閥門(3)相連，三通閥(10)的C端與變溫專用變溫杜瓦系統連接；壓力控制閥門(7)的另一端連接氮氣鋼瓶(8)，真空隔斷閥門(3)的另一端連接真空抽氣泵(2);壓力量表(9)連接在三通閥(10)和恆壓閥(6)之間，真空量表(5)連接在三通閥(10)和精密控制針閥(4)之間； 系統的工作方式為正壓區工作，三通閥門(10)處於A-C通，A-B、B-C隔斷，打開壓力控制閥(7)，專用變溫杜瓦(I)內的壓力控制液氮液面上部空腔(1-10)壓力上升，即專用變溫杜瓦內的液氮(1-5)的氣液面的壓力上升，隨著壓力的增加，液氮溫度上升，壓力由壓力量表(9)測量；恆壓閥(6)的壓力控制在10 15個大氣壓之間，此時溫度在77. 344K到100K IlOK之間變化，精確的被測器件(1-7)溫度可以由杜瓦內的溫度傳感器(1-6)得到；在真空區工作，三通閥門(10)處於A-C、A-B隔斷，B-C通，打開真空隔斷閥門(3)，專用變溫杜瓦(I)內的壓力控制空腔(1-10)真空度下降，即專用變溫杜瓦內的液氮(1-5)的氣液面的真空度下降，隨著真空度的下降，液氮溫度下降，真空度由真空量表(5)測量；在達到所需的真空度附近，精確的真空度可由精密控制針閥(4)進行細調控制，真空度由O. IOlOMPa到O. 0125MPa變化，則溫度在77. 344K到63. 15K之間變化，精確的被測器件(1_7)溫度由杜瓦內的溫度傳感器(1-6)得到。
全文摘要
本發明公開了液氮致冷的紅外探測器壓控變溫系統，系統由增壓系統、真空系統、專用杜瓦系統組成。被測樣品安裝於專用杜瓦內。通過對杜瓦液氮容器內液面的壓力控制，實現精確溫度控制；該系統的溫度變化範圍為63K～126K。由於是壓力控制杜瓦探測器的溫度變化，該變溫系統沒有外加的電磁幹擾，特別適用於紅外探測器小信號變溫測試。
文檔編號G01J5/00GK102818634SQ20121027400
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月3日 優先權日2012年8月3日
發明者張勤耀, 祝海彬 申請人:中國科學院上海技術物理研究所