[發(fā)明專利]一種氪氣隔熱的EMCCD相機(jī)制冷系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310311386.3
• 申請日: 2013-07-23
• 公開（公告）號: CN103398493A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何凱;馬文禮;王明富;潘年
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號: F25B21/02
• 分類號: F25B21/02;H04N5/372
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 賈玉忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氪氣隔熱的EMCCD相機(jī)制冷系統(tǒng)。

背景技術(shù)

電子倍增電荷耦合器件EMCCD（Electron?Multiplication?Charge?Coupled?Device,EMCCD）具有高靈敏度與高幀頻兩個特點(diǎn)，在天文觀測、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。影響EMCCD信噪比的兩個關(guān)鍵因素：暗電流噪聲與電子倍增增益均與EMCCD的工作溫度相關(guān)。EMCCD的工作溫度愈低，其暗電流噪聲愈小，其電子倍增增益愈大，從而其信噪比愈高。因此，針對EMCCD的制冷系統(tǒng)是EMCCD相機(jī)必不可少的組成部分。

真空能完全杜絕對流換熱，同時也能大大削減熱傳導(dǎo)換熱，是當(dāng)前最有效的隔熱方式，也是制冷相機(jī)常使用的隔熱方法。但真空隔熱對密封腔的密封要求很高，泄露率過大會致使真空很快失效，從而影響隔熱性能。真空隔熱的EMCCD相機(jī)制冷系統(tǒng)屬于小體積準(zhǔn)靜態(tài)真空系統(tǒng)，要使泄漏率滿足使用壽命要求，對加工工藝的要求非常高，且對內(nèi)部材料的放氣有嚴(yán)格的要求，實(shí)現(xiàn)不易。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明技術(shù)問題：克服現(xiàn)有真空密封實(shí)現(xiàn)不易的難點(diǎn)，提供一種氪氣隔熱的EMCCD相機(jī)制冷系統(tǒng)，使用氪氣進(jìn)行隔熱，具有密封要求不高，易于實(shí)現(xiàn)，有效壽命長的特點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種氪氣隔熱的EMCCD相機(jī)制冷系統(tǒng)，包括：散熱器1、一級熱電制冷器2、二級熱電制冷器3、密封外殼4、外層防護(hù)罩5、內(nèi)層防護(hù)罩6、EMCCD7和冷指8；散熱器1貼在密封外殼4外部底面，一級熱電制冷器2、二級熱電制冷器3、外層防護(hù)罩5、內(nèi)層防護(hù)罩6、EMCCD7和冷指8置于密封外殼4內(nèi)。一級熱電制冷器2的熱端貼在密封外殼4內(nèi)部底面，安裝中心與散熱器1安裝中心重合；一級熱電制冷器2冷端邊緣與外層防護(hù)罩5相連，中心位置安放二級熱電制冷器3。冷指8的兩端分別連接二級熱電制冷器3冷端與EMCCD7底面；內(nèi)層防護(hù)罩6通過絕熱支撐件固定在外層防護(hù)罩5上。

所述密封腔體內(nèi)充入一個大氣壓的高純氪氣，利用氪氣的低熱傳導(dǎo)率減小EMCCD與外界環(huán)境通過熱傳導(dǎo)的換熱。同時設(shè)置兩層防護(hù)罩，一方面能減小EMCCD與外界通過熱輻射的換熱；另一方面，可通過控制防護(hù)罩間的間距，抑制氪氣在腔體內(nèi)部的對流，從而抑制對流換熱。

本發(fā)明提出的EMCCD相機(jī)制冷系統(tǒng)，通過外層防護(hù)罩5、內(nèi)層防護(hù)罩6將密封腔內(nèi)氪氣分隔成三層的主要目的是通過控制氣體厚度抑制氣體在溫差作用下發(fā)生對流。如圖2所示，在矩形腔體中，當(dāng)腔體相對的兩個面溫度不同（T1>T2），而其他面則與環(huán)境絕熱。在H/L>>1的條件下，腔體內(nèi)氣體是否發(fā)生對流與腔體的傾斜角α以及氣體的瑞利數(shù)Ra_L,有關(guān)。瑞利數(shù)Ra_L,的表達(dá)式為：

RaL=gβ(T1-T2)L3αv]]>

其中g(shù)為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋聻槿莘e熱膨脹系數(shù)，T₁，T₂為兩個平板各自溫度，L為特征尺寸，α為熱擴(kuò)散系數(shù)，ν為運(yùn)動粘度。

當(dāng)α=0°，Ra_L≤1708時，氣體浮力不能克服粘滯阻力，腔體內(nèi)不存在對流。

當(dāng)α=90°，Ra_L≤1000時，氣體浮力不能克服粘滯阻力，腔體內(nèi)不存在對流。

當(dāng)α=180°時，氣體受冷下沉，腔體內(nèi)不會發(fā)生對流。

經(jīng)計(jì)算，在本發(fā)明中，若使氣體不發(fā)生對流，則L≤5mm。因此，密封外殼4、外層防護(hù)罩5和內(nèi)層防護(hù)罩6三者間的間距為4～5mm。

散熱器1主要作用是將一級熱電制冷器2、二級熱電制冷器3以及EMCCD7產(chǎn)生的熱量帶到周邊環(huán)境中去。

本發(fā)明的有益效果是：