李 俊,王小坤,張 磊,孫 聞,曾智江 ,龔海梅

(1.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200083；2.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200083；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

隨著空間遙感分辨率及靈敏度的提高,航天紅外焦平面探測(cè)器的規(guī)模朝向超長(zhǎng)線列發(fā)展,線列拼接的規(guī)模已經(jīng)從2000元、5000元到15000元[1-3],長(zhǎng)線列拼接器件的總焦耳熱及超長(zhǎng)線列杜瓦的熱負(fù)載也隨之增加。為了滿足制冷量的需求,裝載焦平面探測(cè)器的超長(zhǎng)線列杜瓦冷平臺(tái)多與斯特林制冷機(jī)或直線型脈沖管制冷機(jī)冷指進(jìn)行耦合[4]。超長(zhǎng)線列杜瓦組件在地面測(cè)試過(guò)程中需要保證探測(cè)器能夠正常工作、杜瓦熱負(fù)載及制冷機(jī)制冷性能不受影響(如制冷機(jī)的降溫時(shí)間延長(zhǎng)、制冷功耗增加等)及紅外光窗不結(jié)霜[5],這些都要求超長(zhǎng)線列杜瓦制冷組件要有較長(zhǎng)的真空壽命。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)微型金屬杜瓦的真空壽命評(píng)估及加速壽命的理論開(kāi)展了深入研究[5-8]。目前國(guó)外288×4元焦平面微型金屬杜瓦通過(guò)80 ℃ 存儲(chǔ)405天后對(duì)應(yīng)40 ℃真空壽命為18年[6],國(guó)內(nèi)某機(jī)載576×6 HgCdTe紅外焦平面微型杜瓦通過(guò)加速壽命分析可達(dá)到10年使用無(wú)維護(hù)的要求[7]。

目前對(duì)于超長(zhǎng)線列大容積杜瓦(2×10-3m3以上),特別是集成了直線脈管冷指的大容積杜瓦的真空壽命評(píng)估較少見(jiàn)于報(bào)道。本文分析了影響超長(zhǎng)線列杜瓦真空壽命的關(guān)鍵因素,基于材料解析放氣及滲透理論,建立了超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器杜瓦真空壽命評(píng)估模型,分別選取典型分置式和集成式杜瓦進(jìn)行真空壽命研究,并對(duì)其真空度進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),真空壽命評(píng)估方法得到了有效驗(yàn)證。

2 超長(zhǎng)線列杜瓦真空壽命評(píng)估方法

2.1 超長(zhǎng)線列杜瓦結(jié)構(gòu)

超長(zhǎng)線列杜瓦與制冷機(jī)耦合方式包括分置式或集成式[4]。圖1(a)為超長(zhǎng)線列分置式杜瓦結(jié)構(gòu),與微型金屬杜瓦結(jié)構(gòu)相似,通常由光學(xué)窗口、窗口帽、底板、柱殼及芯柱等零部件氣密焊接形成高真空腔體(一般優(yōu)于10-4Pa),真空腔內(nèi)部為長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器、基板、濾光片支架、冷屏及冷鏈等。根據(jù)焦平面線列拼接長(zhǎng)度及整機(jī)光學(xué)接口要求,超長(zhǎng)線列杜瓦冷平臺(tái)尺寸約為200～300 mm,容積2×10-3m3以上,杜瓦內(nèi)大部分零件表面積比較大,但是其結(jié)構(gòu)因與微型金屬杜瓦結(jié)構(gòu)類似,在真空壽命計(jì)算時(shí)可以參考微型杜瓦真空壽命計(jì)算方法對(duì)杜瓦的焊接漏率、內(nèi)部材料放氣、排氣烘烤時(shí)間及消氣劑的吸附總量等因素進(jìn)行考慮。圖1(b)為集成直線脈管式超長(zhǎng)線列杜瓦結(jié)構(gòu),其真空腔上部與分置式超長(zhǎng)線列杜瓦相似,下部腔體與充有3 MPa的高純氦氣的直線脈管通過(guò)激光氣密焊接實(shí)現(xiàn)高真空腔體。集成直線脈管式超長(zhǎng)線列杜瓦在進(jìn)行真空壽命評(píng)估時(shí)除了考慮上述因素外,還要考慮在杜瓦真空腔體與直線脈管冷指之間3 MPa的高壓差作用,高純氦氣可能通過(guò)管狀零件的薄壁及焊縫微漏孔向杜瓦真空腔內(nèi)進(jìn)行滲透放氣,因此需要計(jì)算杜瓦高真空到內(nèi)部真空壓力優(yōu)于1×10-2Pa時(shí)的氦氣滲透對(duì)真空的影響。

圖1 超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器杜瓦結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 超長(zhǎng)線列真空壽命計(jì)算模型

金屬杜瓦從超高真空排氣臺(tái)上夾封后的那一時(shí)刻t0算起到任一時(shí)刻t時(shí),杜瓦真空滿足式(1)的動(dòng)態(tài)平衡方程[5]:

(1)

(2)

式中,Pt為封離后t時(shí)刻杜瓦內(nèi)部的真空度；Pt0為封離時(shí)杜瓦內(nèi)達(dá)到的最高真空度；PHe為腔體內(nèi)部氦氣滲透所產(chǎn)生的分壓,分置式杜瓦計(jì)算時(shí)可以忽略；V為杜瓦真空腔的容積,分置式杜瓦容積為2.5×10-3m3,集成式杜瓦容積為4.2×10-3m3；

Qi為真空暴露面積下各種材料放氣的總出氣量。

影響杜瓦真空壽命主要因素包括蒸發(fā)、擴(kuò)散、滲透、解吸以及焊縫微漏,當(dāng)焊縫漏率達(dá)到1.33×10-13Pa·m3/s時(shí),影響杜瓦真空壽命的主要因素為材料解吸及滲透[5]。本文重點(diǎn)分析兩者對(duì)真空的影響。

2.2.1 材料解析放氣

材料的解析放氣速率是時(shí)間和溫度的反比例函數(shù),但是在夾封前需對(duì)杜瓦進(jìn)行50 ℃烘烤除氣,溫度的影響可忽略。當(dāng)只考慮時(shí)間作用下材料的解析放氣速率可以由公式(3)～(4)解得[9]:

lgqt=lgq1-algt

(3)

(4)

其中,qt為單位面積材料暴露在真空中t小時(shí)后的解吸速率,單位Pa·m3/(s·cm2)；q1,q0為常數(shù)；t為從開(kāi)始抽真空算起的時(shí)間,本文在計(jì)算時(shí)均將小時(shí)轉(zhuǎn)換為天數(shù)；α為解吸速率的衰減系數(shù)。利用專用設(shè)備對(duì)封裝常用材料80 ℃烘烤時(shí)的放氣速率進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)如圖2所示,其余部分零件計(jì)算時(shí)采用常溫時(shí)材料放氣速率的參數(shù)[9]。從圖2可以發(fā)現(xiàn)陶瓷和可伐解析速率較快,當(dāng)杜瓦腔體表面與容積之比較大以及杜瓦的主要零件材質(zhì)為可伐時(shí),其解析放氣總量將會(huì)對(duì)真空的影響更加明顯[10]。

圖2 超長(zhǎng)線列杜瓦主要材料放氣速率測(cè)試曲線示意圖

根據(jù)圖2中杜瓦材料不同時(shí)間的解吸速率及表1中零件真空暴露面積,由式(5)可以算出各種材料解析氣源的出氣量Qi[9]:

(5)

具體結(jié)果如表1所示。

表1 超長(zhǎng)線列杜瓦零部件參數(shù)

2.2.2 滲透放氣[9]

金屬杜瓦主要考慮氦的原子態(tài)滲透,超長(zhǎng)線列杜瓦外部零件壁厚一般都大于2 mm,因此氦氣對(duì)其外部零部件及藍(lán)寶石窗口的滲透因計(jì)算數(shù)值太小忽略不計(jì)[8]。本文主要對(duì)集成式杜瓦的直線脈管冷指不銹鋼薄壁零件與杜瓦真空腔兩側(cè)存在壓差時(shí)氦氣滲透的計(jì)算。對(duì)于不產(chǎn)生離解的分子態(tài)滲透,滲透速率滿足:

(6)

式中,qp為滲透速率;KHe為300 K時(shí)氦對(duì)不銹鋼的滲透系數(shù)為7.5×10-22Pa·m3/(cm2·s·Pa1/2·mm-1),直線脈管全部零件真空暴露面積Atube為142 cm2,焊縫全部漏率為6×10-12Pa·m3/s,則由式(6)可以計(jì)算脈管的滲透速率qp為7.07×10-13Pa·m3/s。由滲透速率qp可以進(jìn)行計(jì)算氦氣微滲漏對(duì)腔體真空度的影響。

(7)

式中,PHe為腔體內(nèi)部氦氣滲透所產(chǎn)生的分壓；t為放氣時(shí)間；V為杜瓦腔體的總?cè)莘e。

通過(guò)式(1)～(6)可以獲得分置式及集成式杜瓦的材料的放氣總量(Pa·m3),如圖3所示,兩種杜瓦內(nèi)部的放氣主要來(lái)源比例依次是陶瓷、低溫膠、可伐及鈦合金材料的解析放氣造成的。因此對(duì)于這些金屬零部件需要進(jìn)一步優(yōu)化真空烘烤除氣的溫度及時(shí)間,同時(shí)控制低溫膠用量,以減小各材料的放氣量對(duì)杜瓦真空的影響。

(a)分置式

(b)集成式

2.3 計(jì)算條件

在對(duì)上述兩類杜瓦的真空壽命進(jìn)行估算時(shí),主要考慮:(1)杜瓦金屬零件表面均進(jìn)行拋光、鍍金處理以減少零件表面的出氣率；(2)金屬零件進(jìn)行250 ℃及24 h烘烤除氣處理；(3)非金屬零件如窗口、寶石片、電路板等進(jìn)行80 ℃及24 h烘烤除氣處理；(4)杜瓦整體漏率優(yōu)于1.33×10-13Pa·m3/s(文獻(xiàn)[5]報(bào)道杜瓦漏率優(yōu)于1×10-12Pa·m3/s時(shí)其真空壽命大于3年)；(5)兩類杜瓦均進(jìn)行超高真空長(zhǎng)時(shí)間烘烤排氣；(6)杜瓦夾封離開(kāi)排氣臺(tái)后不考慮蒸發(fā)及漏率對(duì)其真空壽命的影響。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)上述計(jì)算條件對(duì)分置式及集成式超長(zhǎng)線列杜瓦的真空壽命進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果分別如圖4所示。

分置式超長(zhǎng)線列杜瓦在2年時(shí)真空度為2.93×10-3Pa,集成脈管式杜瓦在2年時(shí)真空度為6.42×10-3Pa,兩類杜瓦的真空杜均優(yōu)于1×10-2Pa,此真空狀態(tài)下滿足制冷機(jī)開(kāi)機(jī)及探測(cè)器正常工作。分置式杜瓦內(nèi)部放氣因素主要是多層陶瓷電極板及低溫膠等非金屬材料解析放氣；其次可伐、鈦合金等金屬零件表面雖然經(jīng)過(guò)拋光鍍金處理,但是因表面積較大,對(duì)其真空壽命產(chǎn)生顯著影響。集成式超長(zhǎng)線列杜瓦雖然有少量氦氣的滲透,放氣總量雖然在10-7Pa·m3數(shù)量級(jí),但僅占放氣源的較小的比例。

圖4 超長(zhǎng)線列杜瓦真空壽命計(jì)算曲線

3 超長(zhǎng)線列杜瓦真空性能試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 在線真空度監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

杜瓦從排氣臺(tái)夾封之后的真空度一般都難以在線監(jiān)測(cè),通常采用杜瓦熱負(fù)載測(cè)試以及制冷機(jī)開(kāi)機(jī)前后的功耗及降溫時(shí)間分析杜瓦真空是否失效[9]。本文設(shè)計(jì)了一種杜瓦真空度在線監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu),可以對(duì)兩類超長(zhǎng)線列杜瓦真空度長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。結(jié)構(gòu)如圖5所示,主要由杜瓦排氣管、絕緣陶瓷排氣管(防電流導(dǎo)電至外殼上)、真空規(guī)、復(fù)合真空計(jì)等組成。真空規(guī)安裝于杜瓦之前要進(jìn)行烘烤除氣,避免放氣的影響。真空規(guī)通過(guò)三通接頭安裝在杜瓦排氣管末端,另一端與排氣臺(tái)相連。真空規(guī)從排氣臺(tái)夾封時(shí)作為杜瓦的一部分,夾封之后可以對(duì)其真空度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖5 真空度在線檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 杜瓦夾封后的真空度監(jiān)測(cè)

選取超長(zhǎng)線列分置式杜瓦及集成式杜瓦作為監(jiān)測(cè)對(duì)象,分別將其從排氣臺(tái)夾封后通過(guò)電真空規(guī)對(duì)真空度進(jìn)行2年的監(jiān)測(cè),圖6為分置式杜瓦及集成式杜瓦真空度監(jiān)測(cè)曲線。

圖6 超長(zhǎng)線列杜瓦真空度監(jiān)測(cè)曲線

根據(jù)容積較大的杜瓦內(nèi)分子平均自由程和氣體傳熱空間尺寸確定氣體的傳熱狀態(tài),確定接近1×10-2Pa為終止壓強(qiáng)[11]。在線監(jiān)測(cè)結(jié)果表明分置式及集成超長(zhǎng)線列杜瓦2年后的真空度分別為3.12×10-3Pa及 6.9×10-3Pa,均低于1×10-2Pa(此真空狀態(tài)時(shí)對(duì)流傳熱對(duì)杜瓦熱負(fù)載具有較大影響)的要求。因此對(duì)于其熱負(fù)載及制冷降溫時(shí)間的影響將不會(huì)成為主要因素。

3.3 脈管氦滲透對(duì)杜瓦組件真空壽命的影響

考慮集成式杜瓦結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,對(duì)其真空評(píng)估比較困難,因此可對(duì)集成式杜瓦制冷組件進(jìn)行制冷機(jī)開(kāi)機(jī)驗(yàn)證杜瓦熱負(fù)載狀態(tài)。數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,制冷機(jī)的功耗變化為1.8%。

表2 集成式杜瓦組件制冷性能測(cè)試

由于吸氣劑對(duì)氦的吸附能力很小,兩年的真空度變化較小,而且真空優(yōu)于6.9×10-3Pa。通過(guò)激活吸氣劑后發(fā)現(xiàn)制冷功耗下降至50 W。而且監(jiān)測(cè)杜瓦冷平臺(tái)的回溫曲線,基本與兩年前的回溫曲線一致,如圖7所示。以上兩點(diǎn)證明選用0.15 mm以上的薄壁管,脈管內(nèi)部氦氣滲透產(chǎn)生的分壓對(duì)整個(gè)杜瓦的壓強(qiáng)的影響可以忽略。

圖7 集成式杜瓦冷平臺(tái)升溫曲線

4 結(jié) 論

本文建立了超長(zhǎng)線列杜瓦材料放氣速率及滲透速率模型,對(duì)分置式及集成直線脈管杜瓦的真空壽命進(jìn)行了理論計(jì)算,測(cè)試與理論值相對(duì)誤差分別為5.8%和6.96%,并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了脈管氦滲透對(duì)真空的影響。通過(guò)超長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器杜瓦真空壽命評(píng)估可以對(duì)設(shè)計(jì)和研制工藝有一定的指導(dǎo)價(jià)值,有利于推進(jìn)超長(zhǎng)線列紅外杜瓦組件的工程化應(yīng)用。