[發明專利]一種EMCCD相機致冷系統冷屏裝置

有效

• 申請號: 201310646743.1
• 申請日: 2013-12-04
• 公開（公告）號: CN103644676B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 何凱;馬文禮;王明富;黃龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 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任公司11251
• 代理人: 孟卜娟

技術領域

本發明屬于光電探測技術領域，涉及一種電子倍增電荷耦合器件（Electron?Multiplication?Charge?Coupled?Device,EMCCD）相機致冷系統冷屏裝置。

背景技術

EMCCD具有高靈敏度與高幀頻兩個特點，在天文觀測、生物醫學、科學研究、工業生產等領域有廣闊的應用前景。影響EMCCD信噪比的兩個關鍵因素：暗電流噪聲與電子倍增增益，均與EMCCD的工作溫度相關。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，對EMCCD致冷能極大提升其性能，致冷系統是高性能EMCCD相機必不可少的組成部分。

當前EMCCD相機致冷系統多使用熱電制冷器作為其冷源。熱電制冷器是基于帕爾貼效應的一種小型制冷器，優點是：體積小、使用方便、可靠性高，但是也存在效率低、制冷溫差有限、制冷量小等不足。而熱電制冷器工作時，冷端負載越小，制冷效果越好。為充分利用熱電制冷器的制冷量，增大制冷溫差，在設計致冷系統時，應盡可能減少致冷時由外界進入EMCCD的熱量。EMCCD與外界換熱量越小，致冷系統致冷效果越好。

發明內容

以減少EMCCD與外界環境換熱量為目的，本發明公開了一種EMCCD相機致冷系統中的冷屏裝置，通過設計冷屏，能夠減少外界進入EMCCD的熱量。

本發明的技術方案如下：

一種EMCCD相機致冷系統冷屏裝置，包括：熱沉、一級熱電制冷器、N級熱電制冷器、外殼、冷屏、EMCCD以及冷指。N=2,3,4，熱沉安裝在外殼外部底面，其余部件均位于外殼內。一級熱電制冷器安裝在外殼內部與熱沉對應的位置，其熱端貼在外殼腔壁上，冷端與冷屏以及N級熱電制冷器熱端相連。冷屏將N級熱電制冷器、EMCCD以及冷指等低溫部件包圍起來。冷指處于N級熱電制冷器3冷端與EMCCD之間，充當兩者間熱量傳遞的橋梁。

進一步的，一級熱電制冷器與N級熱電制冷器堆疊而成的多級熱電制冷器，其中一級熱電制冷器的冷端與N級熱電制冷器的熱端相連，一級熱電制冷器冷端尺寸大于N級熱電制冷器熱端尺寸。同時，一級熱電制冷器致冷時冷端溫度，低于不與之相連時冷屏自身溫度。

進一步的，冷屏的材質為紫銅，表面鍍銀處理。

進一步的，冷屏外表面與外殼內表面間距為4-6mm。

本發明的原理在于：

一種EMCCD相機致冷系統冷屏裝置，其核心思想是：在EMCCD相機致冷系統中，設計一個較低溫的冷屏，用該冷屏將EMCCD等被冷卻器件包圍起來，減少致冷時EMCCD與周邊環境的溫差，從而減少EMCCD與周邊環境的換熱量。其實現結構包括：熱沉、一級熱電制冷器、N級熱電制冷器（N=2,3,4）、外殼、冷屏、EMCCD以及冷指。冷屏與一級熱電制冷器冷端相連，依靠一級熱電制冷器冷卻冷屏。設計冷屏能夠有效減少，致冷時由外界進入EMCCD的熱量，從而對減少致冷系統負載，降低EMCCD致冷系統最低致冷溫度有積極的意義。在非真空絕熱的致冷系統中，效果更為明顯。試驗證明，在使用惰性氣體絕熱的EMCCD相機致冷系統中，通過設計冷屏，使外界進入EMCCD的熱量較原來減少了25%。

本發明的有益效果是：

（1）、本發明提出的EMCCD相機致冷系統冷屏設計技術，通過在EMCCD與外殼間設置一低溫冷屏，能有效減少致冷系統工作時，EMCCD與周邊環境的換熱，進一步降低致冷系統的最低致冷溫度。

（2）、本發明提出的EMCCD相機致冷系統冷屏設計技術，通過在冷屏上鍍銀，能將環境輻射反射回去，減少一級熱電制冷器上的負載。

附圖說明

圖1為本發明提出的一種EMCCD相機致冷系統冷屏裝置EMCCD相機制冷系統結構示意圖。其中1為熱沉，2為一級熱電制冷器，3為N級熱電制冷器（N=2,3,4），4為外殼，5為冷屏，6為EMCCD，7為冷指。

圖2為EMCCD與外界環境換熱熱網絡圖。T_AMB為環境溫度，T₁為冷屏溫度，T_CCD為EMCCD致冷后溫度，R₁為冷屏與外殼間熱阻，R₂為EMCCD與冷屏間熱阻，Q₁為由外殼進入冷屏熱流量，Q₂為由冷屏進入EMCCD熱流量，Q₃為一級熱電制冷器從冷屏帶走的熱量