賈衛(wèi)民,金小群,楊永華,奚予琛

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽 471009；2.紅外探測器技術(shù)航空科技重點實驗室,河南 洛陽 471009)

1 引 言

制冷型紅外焦平面探測器廣泛應(yīng)用于精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)、紅外熱成像、機(jī)載紅外光電設(shè)備、光電偵察設(shè)備等領(lǐng)域,目前已成為市場主流。以美、法、以色列等國為代表的256×256以上規(guī)模的紅外焦平面陣列器件大都配置了集成式斯特林制冷機(jī)的金屬杜瓦組件,即IDDCA組件。

為保證探測器正常工作,斯特林制冷機(jī)工作溫度低于80 K,MTTF時間超過10000 h,常溫啟動時間小于4 min,探測器設(shè)計存儲壽命不低于15年。采用制冷機(jī)集成式結(jié)構(gòu)的金屬杜瓦組件,熱質(zhì)量、漏熱負(fù)載較小,制冷性能優(yōu)異,為保證長期穩(wěn)定的制冷性能,杜瓦內(nèi)部應(yīng)維持恒定的真空。探測器制造及使用過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明,杜瓦真空度下降是導(dǎo)致探測器性能衰減的主要原因之一,因此金屬杜瓦的真空壽命成為探測器的一項關(guān)鍵指標(biāo)。

本文研究了目前廣泛采用的斯特林制冷機(jī)集成式金屬杜瓦組件結(jié)構(gòu),對其進(jìn)行了真空壽命測試評價,并分析了影響杜瓦真空壽命的主要因素。

2 集成式杜瓦組件結(jié)構(gòu)方式

以法國SOFRADIR公司為主流的320×256中、長波面陣器件如圖1所示,目前已成為IDDCA組件通用結(jié)構(gòu)的代表,該金屬杜瓦結(jié)構(gòu)可裝配多種規(guī)模的紅外芯片、與不同功率的斯特林制冷機(jī)方便集成,因而可廣泛快速投入研發(fā)應(yīng)用。

圖1 SOFRADIR公司 320×256MW、LW器件

集成式杜瓦組件通用結(jié)構(gòu)如圖2所示,采用前端引出線結(jié)構(gòu)方式,主體材料為金屬,內(nèi)外引線采用陶瓷布線與金屬封裝的結(jié)構(gòu)形式,杜瓦內(nèi)管同時是斯特林制冷機(jī)的汽缸,結(jié)構(gòu)封裝采用激光焊接密封,光學(xué)窗口與金屬外殼軟釬焊連接。與玻璃杜瓦相比,金屬杜瓦在制冷性能、結(jié)構(gòu)強度、制造精度、批產(chǎn)制造等方面優(yōu)勢明顯。

圖2 集成式杜瓦組件通用結(jié)構(gòu)

3 杜瓦真空壽命

InSb等紅外光敏元件工作溫度一般為80 K左右,制冷機(jī)與杜瓦提供并維持制冷探測器正常工作的低溫條件。制冷功率應(yīng)大于探測器總熱功耗,探測器工作時熱負(fù)載為[1]:

Q=∑Qi=Qr+Qg+Qs+QJ

(1)

式中,Qr為輻射漏熱;Qg為殘余氣體傳導(dǎo)漏熱;Qs為固體傳導(dǎo)漏熱;QJ為探測器工作的焦?fàn)枱帷?/p>

其中,殘余氣體傳導(dǎo)漏熱與杜瓦真空相關(guān),杜瓦內(nèi)部為高真空和低真空時該數(shù)值相差數(shù)百倍[2],因此杜瓦真空壽命是制約探測器存儲壽命的關(guān)鍵指標(biāo)。

探測器熱負(fù)載主要由輻射熱、固體傳導(dǎo)漏熱及焦耳熱組成,正常值較小且恒定。固體傳導(dǎo)漏熱取決于杜瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計,集成式金屬杜瓦中影響漏熱傳導(dǎo)的主要結(jié)構(gòu)部件包括,與制冷機(jī)集成的薄壁內(nèi)管、細(xì)線徑金屬引線、結(jié)構(gòu)支撐桿或絲[3],通過低導(dǎo)熱材料設(shè)計選取、薄壁金屬件加工工藝等方法有效降低了固體熱傳導(dǎo)。

當(dāng)器件出現(xiàn)漏氣或元件材料放氣使杜瓦內(nèi)部真空度降低時,殘余氣體傳導(dǎo)漏熱成為主要熱負(fù)載,制冷功耗劇增,制冷溫度升高,探測器無法正常工作而失效。

金屬杜瓦制造中,采用激光焊接、回流焊等工藝技術(shù)實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)封裝低漏氣率,在制造過程通過真空除氣處理及吸氣劑等技術(shù)保證杜瓦真空內(nèi)低放氣率,保證金屬杜瓦真空長期穩(wěn)定。

對以上結(jié)構(gòu)和工藝制造的集成式金屬杜瓦組件進(jìn)行了真空壽命試驗測試與分析。

4 試驗與測試

4.1 漏率測試

制造過程應(yīng)檢測每只杜瓦器件氦漏氣速率,超高靈敏度檢漏儀可測算出杜瓦真實漏氣速率[4]。

杜瓦真空壽命與實際漏氣速率由下式計算:

t=2.67·P0(1-P/P0)V/Q0

(2)

式中,t為從P到P0時所需時間,即為設(shè)計真空壽命；P0為器件失效真空度,1×10-1Pa；P為器件封離排氣系統(tǒng)時真空度,1×10-6Pa；V為器件真空總?cè)莘e,L；Q0為器件總漏率,Pa·L/s(He)。

不同氦漏率器件達(dá)到的真空壽命如圖3所示。

圖3 真空壽命與氦漏氣率關(guān)系

金屬杜瓦制造工藝中,控制總漏氣率低于2×10-12Pa·L/s(He),真空壽命大于15年。

4.2 靜態(tài)熱負(fù)載測試

杜瓦經(jīng)真空排氣封離后,內(nèi)部真空度由靜態(tài)熱負(fù)載值表征。測試杜瓦內(nèi)管中液氮揮發(fā)速率,再用下式算得:

(3)

式中,Δm/Δt為液氮消耗率,g/s;γ為液氮汽化潛熱,197.6 J/g；Cp、m、t為分別為氮氣的定壓比熱、密度和揮發(fā)時間；D為杜瓦內(nèi)管內(nèi)徑,m；P為室內(nèi)測試環(huán)境下太陽輻射熱,13.3 W/m2。

由液氮揮發(fā)稱重測試出5只金屬杜瓦液氮重量-消耗時間曲線如圖4所示。

圖4 液氮重量-消耗時間曲線

集成式金屬杜瓦器件熱負(fù)載小于200 mW,滿足斯特林制冷功耗要求。

4.3 高溫加速試驗

用加速應(yīng)力的方法對杜瓦熱負(fù)載進(jìn)行跟蹤測試,對儲存壽命可靠性進(jìn)行評估。選用溫度作為加速應(yīng)力,壽命和應(yīng)力間符合威布爾分布,具有如下關(guān)系。

L(S)=K-1·S-n

(4)

式中,L為可量化的壽命值,如平均壽命、特征壽命等；S為加速應(yīng)力；K、n為需確定的模型參數(shù),K>0。

將上式轉(zhuǎn)換為ln(L)=-ln(K)-nln(V),則模型參數(shù)的確定可將試驗數(shù)據(jù)在對數(shù)坐標(biāo)中曲線繪制得出,此時n為線性曲線的斜率。通過以下公式計算加速應(yīng)力因子:

AF(s)=(S/Sbase)n

(5)

高溫加速試驗中將2只金屬杜瓦在70 ℃條件下進(jìn)行了215天的高溫老化加速試驗,跟蹤測試了熱負(fù)載變化情況,曲線如圖5所示。判斷失效標(biāo)準(zhǔn)為熱負(fù)載變化不超過25%。

圖5 70 ℃存儲試驗結(jié)果

參考SOFRADIR公司金屬杜瓦的加速應(yīng)力試驗結(jié)果[5],得出70 ℃下的215天相當(dāng)于25 ℃下的12.9年。表明該金屬杜瓦制造工藝正常,可滿足存儲性能要求。

5 真空壽命影響因素分析

集成式金屬杜瓦組件真空壽命影響因素主要有器件漏氣和杜瓦真空腔放氣兩方面。

漏氣引起的杜瓦真空度降低主要由材料氣孔、缺陷、焊接不良等引起。杜瓦結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計時應(yīng)有所選擇,如真空冶煉材料含氣量少、冷扎的材料比熱扎的材料氣孔缺陷少；制造工藝中避免使用銀、銅釬焊,可采用氬弧焊、激光焊接完成結(jié)構(gòu)密封封裝。

氣體對金屬材料滲透也會造成器件漏氣。如常溫時H2對Fe、Ni、低碳鋼、鐵素體不銹鋼的滲透系數(shù)高,故低碳鋼不宜作為杜瓦的管殼材料。在金屬外殼表面進(jìn)行酸洗、堿浸、腐蝕、電解、擦傷等去除氧化層的過程中,可使?jié)B透增加幾倍甚至幾個數(shù)量級。在真空容器外壁涂抹保護(hù)漆或在表面用0.1%的鉻酸鈉溶液浸泡,可以防止腐蝕并抑制滲透。

與材料滲透相比,制造工藝不良帶來的漏孔遠(yuǎn)比它們大幾個數(shù)量級,對每只器件進(jìn)行氦檢漏測試方法可將此類缺陷篩選剔除,通過制造工藝改進(jìn)可使杜瓦漏氣率降至最低,控制結(jié)構(gòu)總He漏氣率低于2×10-12Pa·L/s,IDDCA杜瓦組件真空壽命超過15年。

影響杜瓦真空度下降的另一關(guān)鍵因素是杜瓦真空腔內(nèi)部的各種材料及元件的放氣。杜瓦真空內(nèi)壁、金屬元件如冷光闌、連接法蘭、引線電極表面以及有機(jī)物膠等通常吸附了大量的氣體,在探測器使用過程中會慢慢釋放,使真空度變差、壽命降低[6]。

金屬杜瓦真空腔內(nèi)部的放氣來源主要有材料中溶解氣體的解溶、擴(kuò)散以及表面吸附氣體的脫附。金屬表面出氣速率較低,隨時間的衰減也較快。杜瓦金屬材料常溫出氣源主要是表面氧化膜吸收的水汽,烘烤后出氣率顯著降低。表1為1Cr18Ni9Ti不銹鋼真空烘烤過程的出氣速率及組分[7]。

表1 1Cr18Ni9Ti不銹鋼烘烤過程中的出氣速率及組分

從表1中數(shù)據(jù)可看出,經(jīng)真空烘烤的不銹鋼金屬表面出氣速率降低2～3個數(shù)量級,主要減少的是H2O氣體,處理后金屬表面殘余氣體主要成分為H2、CO、CO2、O2、N2及其他稀有氣體。金屬杜瓦經(jīng)過高真空排氣后真空腔內(nèi)殘余氣體成分相同,此類氣體主要由杜瓦內(nèi)部安裝的Zr基吸氣劑吸附消除。Zr基吸氣劑可與CO、CO2、O2、N2氣體形成穩(wěn)定的化合物至1000 ℃不發(fā)生分解,在表面與H2形成固溶可逆吸附,與溫度及H2平衡壓相關(guān)。金屬杜瓦長時間存放,真空腔內(nèi)氣體釋放,杜瓦真空度逐漸下降,熱負(fù)載增加,對吸氣劑再次通電激活可提高真空度3～4個數(shù)量級,延長杜瓦存儲壽命。

6 結(jié) 論

256×256以上規(guī)模的紅外焦平面陣列器件多采用上述通用結(jié)構(gòu)的制冷機(jī)集成式金屬杜瓦組件,杜瓦真空壽命可通過氦漏率檢測、靜態(tài)熱負(fù)載測試及高溫加速試驗表征。

金屬杜瓦真空壽命的主要影響因素包括漏氣和放氣,分析表明,通過制造工藝控制改進(jìn)可使金屬杜瓦He漏氣率低于2×10-12Pa·L/s,滿足器件設(shè)計壽命期；金屬杜瓦內(nèi)部放氣可通過真空烘烤、安裝吸氣劑等方法消除。經(jīng)驗證,采用以上技術(shù)研制的集成式金屬杜瓦組件(IDDA)真空存儲壽命已超過12年,熱負(fù)載小于200 mW,滿足制冷功耗要求。

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