高 昶 張洋洋 洪國同 楊彥佶

(1中國科學院理化技術研究所空間功熱轉換技術重點實驗室 北京 100190)

(2中國科學院大學 北京 100049)

(3中國科學院高能物理研究所 北京100049)

低能同步輻射CCD冷卻系統(tǒng)設計與實驗研究

高 昶1，2張洋洋1，2洪國同1楊彥佶3

(1中國科學院理化技術研究所空間功熱轉換技術重點實驗室 北京 100190)

(2中國科學院大學 北京 100049)

(3中國科學院高能物理研究所 北京100049)

根據低能(LE)同步輻射電荷耦合元件(CCD)器件冷卻要求設計了一套方便拆裝的冷卻系統(tǒng)，并且通過漏熱計算選擇了配套的脈沖管制冷機。分析模擬了CCD器件表面及其安裝底板的溫度均勻性。對關鍵部件制冷機性能進行了測試，得到不同功率下的降溫曲線，采用組合控溫方式能夠方便調節(jié)CCD器件至指定溫度，在控溫儀的自動控制下達到較高的控溫精度。冷卻系統(tǒng)工作溫度范圍為-100℃至室溫。

CCD器件 脈沖管制冷機 冷卻系統(tǒng)控溫

1 引言

CCD是20世紀70年代初期發(fā)明的新一代光電傳感器件［1］，廣泛應用在光學遙測技術、光學與頻譜望遠鏡和高速攝影技術中。應用在航天領域的探測方面時，為了降低紅外線干擾，常常以液態(tài)氮［2］或半導體冷卻。為了固定成像位置，還需要防止震動的影響。液氮冷卻雖然方便，但對于長時間的工作條件需要不斷補充，增加了設備質量和體積要求。機械制冷機取代液氮冷卻的優(yōu)點早就為眾人所知［3］，具有體積重量小、振動噪音小、工作溫度調節(jié)靈活、工作壽命長、可靠性高的優(yōu)點。近年來采用低溫制冷機來滿足低溫電子器件的制冷要求成為研究熱點，本文的冷卻對象CCD器件外形尺寸為78 mm×78 mm×5 mm，發(fā)熱量為0.3—1.2 W，要求溫度從-100℃至室溫可連續(xù)調節(jié)。

2 冷卻系統(tǒng)

2.1 結構設計

LE同步輻射CCD冷卻系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)主體、脈沖管制冷機、散熱風扇、制冷機驅動電源、控溫儀、以及真空泵、計算機數(shù)據采集系統(tǒng)等輔助設備。如圖1所示，冷卻系統(tǒng)主體由CCD傳感器及其基座、傳感器安裝底板、輻射屏、制冷機冷頭、制冷壓縮機、安裝法蘭、真空罩等組成。制冷機的冷頭冷端與傳感器安裝底板直接接觸，將冷量傳遞給安裝底板。底板上安裝傳感器及其基座，傳感器溫度隨底板的溫度降低而達到所需要的制冷溫度。在安裝底板外圍設置了輻射屏，既減少外界室溫環(huán)境對底板及傳感器的輻射熱，同時也減少傳感器內部的溫度梯度，提高其溫度均勻性。傳感器基座、輻射屏等隨安裝底板均由低熱導率支撐筒固定在安裝法蘭上。在制冷機的冷頭熱端和壓縮機上部設置了軸流風扇，為其提供散熱。

2.2 溫度測量與控制

在傳感器基座上安裝溫度計和加熱器，用于對CCD傳感器的實際工作溫度進行測量和控制。為保證可靠性，在傳感器基座上安裝2支溫度計，既可以測量其溫度均勻性，還可以互為備份。

控溫系統(tǒng)由控溫儀、加熱器、溫度計組成。控溫儀選用美國Lakeshore公司的336型控溫儀?？販胤绞綖槊}沖管制冷機手動粗調與加熱控溫自動精調相結合。首先根據實際需要將制冷機輸入功率調節(jié)到所需要的值，保證制冷機的制冷量能夠達到所要求的制冷溫度以下，然后啟用336型控溫儀的自動控溫模式，對其進行加熱自動控制。這種工作方式的控溫精度高，能夠滿足的工作溫度范圍廣，加熱功率小。

溫度計選用圓柱狀PT100鉑電阻，直接插入傳感器基座內。加熱器為薄膜加熱器，粘貼在傳感器基座的背面，加熱電阻為36 Ω，最大加熱功率設定為10 W。溫度計和加熱器的安裝位置如圖2。

圖1 冷卻系統(tǒng)主體Fig.1 Schematic diagram of cooling system

圖2 溫度計與控溫加熱器安裝位置Fig.2 Installation location of thermometer and heater

3 漏熱計算及溫度均勻性分析

3.1 漏熱計算

3.1.1 導熱

忽略薄膜電纜和溫度計引線的傳導漏熱，則導熱只有傳感器基座的支撐漏熱，該支撐采用不銹鋼材料。根據導熱計算公式(1)，得到支撐傳導漏熱為0.66 W。

3.1.2 輻射

傳感器組件外部設置輻射屏，傳感器組件全部包裹在該輻射屏內部，其溫度比傳感器組件高約10 K。兩個表面的輻射傳熱量計算較為復雜，當一個表面被另一個大得多的表面包圍時可按式(2)近似處理［4］，這部分漏熱最終傳遞到制冷機冷指。輻射屏內外表面拋光鍍金，輻射屏外表面和真空罩內表面發(fā)射率取0.1。根據輻射換熱計算公式(2)，得到輻射漏熱量約1.56 W。3.1.3 CCD焦耳熱

單個CCD器件工作時發(fā)熱量為0.3 W，4個CCD同時工作時發(fā)熱量為Qj=1.2 W。3.1.4 總漏熱

從上述計算可知，低溫部件的總漏熱約為3.5 W，為此，應選擇制冷機在173 K的制冷量應大于3.5 W。

3.2 溫度均勻性分析

傳感器安裝底板為一長條形紫銅板，一側圓形凹槽為制冷機冷指安裝面，用于與制冷機冷指端面連接;另一側用于安裝傳感器組件，傳感器組件安裝面下方中間開槽，以便傳感器安裝時其背面的接插件引線能夠穿過。傳感器組件由矩形排列的四組器件組成，四組器件可單獨工作，也可同時工作。通過Ansys軟件模擬分析四組器件同時工作和左下角器件單獨工作時的安裝底板表面和器件表面的溫度分布情況，計算結果如圖3所示，兩種工作情況下的CCD器件和安裝底板的最大溫差如表1所示。

圖3 溫度分布圖(a)左下角CCD獨立工作時傳感器的表面(b)四組CCD同時工作時傳感器的表面(c)左下角CCD獨立工作時傳感器安裝底板的表面(d)四組CCD同時工作時傳感器安裝底板的表面Fig.3 Temperature distribution

表1 不同工作狀態(tài)下溫度分布計算結果Table 1 Temperature distribution under different working conditions

4 制冷機選型與性能測試

制冷機選用的長壽命脈沖管制冷機為成熟產品，制冷機性能為5 W/80 K，能夠滿足本系統(tǒng)的降溫和連續(xù)工作的要求。制冷機冷指和壓縮機的實物照片如圖4所示。制冷機冷指直接插入真空室內，與CCD傳感器安裝底板背面接觸，將冷量傳遞給傳感器安裝底板，對其降溫制冷。與制冷機匹配的驅動調節(jié)電源能夠調節(jié)制冷機工作電壓，從而改變制冷機的輸入功率而調節(jié)實際的制冷量大小，達到小于4 K/min的降溫速率要求。

圖4 5 W/80 K脈沖管制冷機照片F(xiàn)ig.4 Photo of 5 W/80 K pulse tube refrigerator

按照脈沖管制冷機的性能測試規(guī)范，對其性能進行了多次實驗測試。制冷機的充氣壓力為3.6 MPa，環(huán)境溫度約20℃，制冷機熱端采用風冷。結果如圖5所示，可以看出，制冷機在60 W輸入功率下，110 K制冷溫度下可以提供3.8 W的制冷量，完全滿足3.5 W/173 K的制冷需求，并有足夠的富裕量。

5 冷卻系統(tǒng)性能測試結果及分析

將冷卻系統(tǒng)與脈沖管制冷機組裝并進行真空檢漏，漏率滿足小于1×10-9Pa·m3/s的要求后，連接好控溫儀和加熱器，進行整個系統(tǒng)的性能測試實驗。

圖5 脈沖管制冷機性能測試結果Fig.5 Performance test results of pulse tube refrigerator

實驗包括降溫速率實驗、控溫穩(wěn)定性實驗、加熱復溫實驗。實驗過程中CCD器件安裝底板的實時溫度曲線如圖6(a)所示。約第15 min時開啟制冷機，制冷機經歷一個緩慢啟動過程后加大輸入功率至80 W，當?shù)竭_172.6 K(-100.55℃)時減小輸入功率至40 W左右，再經歷過4次調節(jié)制冷機輸入功率的控溫實驗，如圖6(b)，經歷幾分鐘CCD安裝底板溫度就趨于穩(wěn)定?？販亟Y束后關閉制冷機，更改控溫點為300 K，隨即控溫儀自動開啟最大加熱量10 W進行加熱復溫，直至溫度達到300 K自動停止加熱，到此實驗結束。

圖6 CCD器件安裝底板實時溫度變化曲線(圖b為圖a的部分放大)Fig.6 Temperature change curve of CCD device mounting plate

在173 K的控溫點上，改變制冷機的輸入功率，CCD器件安裝底板的溫度會發(fā)生一些波動，但是控溫儀會迅速調整加熱量以保持溫度穩(wěn)定，一般10 min以內就能夠達到初始穩(wěn)定狀態(tài)，即溫度波動小于0.01 K。

對于制冷機不同的輸入功率，進行了CCD器件安裝底板的降溫速率測試，如圖7。所示。從初始室溫292 K附近冷卻降溫到173 K控溫點，60、80和100 W的制冷機輸入功率對應的降溫時間分別為67、53和42 min，相應的平均降溫速率約為1.8、2.2和3 K/min，并且相應的局部最大降溫速率為3、4和4.6 K/min?？梢?，80 W以下輸入功率可以滿足CCD冷卻速率小于4 K/min的要求。

圖7 CCD器件安裝底板的降溫曲線Fig.7 CCD device mounting plate cooling curve

實驗前期，CCD器件本身還未安裝，因此設定CCD器件安裝底板控溫點為173 K(即-100℃)，測量制冷機不同的輸入功率對應的可用制冷量(即可用來消除CCD工作的發(fā)熱量)，圖8所示。可以看出，即使在40 W輸入功率下制冷機的可用制冷量也大于1.2 W需求，隨著輸入功率增加，其可用制冷量也繼續(xù)增加，完全可以滿足CCD傳感器最低173 K的冷卻需求。并且控溫點的溫度升高，可用制冷量也隨之增加。因此，對于不同的控溫點(173—300 K之間)，即使制冷機的輸入功率僅為40 W，可用制冷量也都能滿足1.2 W的CCD發(fā)熱量冷卻需求。此外，如果想進一步拓展173 K以下的制冷溫度，可以通過增加制冷機輸入功率來實現(xiàn)。如輸入功率增加至80 W時，CCD器件安裝底板的溫度最低可以達到123 K。

圖8 不同輸入功率下可用制冷量Fig.8 Available cooling capacity under various input power

6 結論

(1)根據CCD傳感器的冷卻要求，確定了LE同步輻射CCD冷卻系統(tǒng)的技術方案，設計了系統(tǒng)結構，計算了系統(tǒng)漏熱，選擇了脈沖管制冷機。

(2)控溫方式采取了脈沖管制冷機手動粗調與加熱控溫自動精調相結合方案，其調節(jié)溫度的范圍廣、精度高，可實現(xiàn)CCD工作在室溫至173 K之間的任何溫度并維持穩(wěn)定，溫度波動小于0.01 K/h。

(3)實驗測試了冷卻系統(tǒng)的各項性能指標，通過調節(jié)制冷機的輸入功率可以有效控制制冷機的制冷量，將CCD傳感器降低到需要的溫度。

1 閆 慧.基于CCD的近紅外光譜儀的測控系統(tǒng)的設計［D］.長春:吉林大學，2007.

2 佚 名.紅外CCD封裝致冷用多元金屬杜瓦瓶［J］.半導體光電，1986，7(1):1.

3 陳國邦，湯 珂.小型低溫制冷機原理［M］.北京:科學出版社.2009.

4 許國良，王曉墨，鄔田華，等.工程傳熱學［M］.北京:中國電力出版社，2005.

Design and experimental research of a cooling system for LE synchrotron radiation CCD detectors

Gao Chang1，2Zhang Yangyang1，2Hong Guotong1Yang Yanji3
(1Key Laboratory of Space Energy Conversion Technology，Technical Institute of Physics and Chemistry，
Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)
(2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)
(3Institute of High Energy Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

According to the cooling requirement of LE synchrotron radiation charge-coupled Device CCD detectors，a cooling system has been designed and tested.The cooling system uses a pulse tube refrigerator as cooling source and is convenient to assemble and disassemble.The surface temperature uniformity of the CCD detector assembly and its mounting plate was simulated.The cooling curves under different power were obtained by using the selected refrigerator.Appropriate temperature control method can easily adjust the temperature of the CCD detectors to the specified temperature in a higher control precision with the help of a temperature controller.The operating temperature range of the system is from-100℃to room temperature.

CCD detector;pulse tube refrigerator;cooling system;temperature control

2013-07-25;

2013-10-15

高 昶，男，24歲，碩士研究生。

TB651

A文章編號:1000-6516(2013)05-0028-05