一种EMCCD相机致冷系统冷屏装置

摘要

本发明公开了一种EMCCD相机致冷系统冷屏装置，其核心是：在EMCCD相机致冷系统中，设计一个较低温的冷屏，用该冷屏将EMCCD等被冷却器件包围起来，减少致冷时EMCCD与周边环境的温差，从而减少EMCCD与周边环境的换热量。其实现结构包括：热沉、一级热电制冷器、N级热电制冷器（N=2,3,4）、外壳、冷屏、EMCCD以及冷指。冷屏与一级热电制冷器冷端相连，依靠一级热电制冷器冷却冷屏。设计冷屏能够有效减少，致冷时由外界进入EMCCD的热量，从而对减少致冷系统负载，降低EMCCD致冷系统最低致冷温度有积极的意义。在非真空绝热的致冷系统中，效果更为明显。

主权项

一种EMCCD相机致冷系统冷屏装置的设计方法，其特征在于，该设计方法设计的EMCCD相机致冷系统冷屏装置包括：热沉(1)、一级热电制冷器(2)、N级热电制冷器(3)、外壳(4)、冷屏(5)、EMCCD(6)以及冷指(7)，其中N＝2,3,4，热沉(1)安装在外壳(4)外部底面，其余部件均位于外壳(4)内，一级热电制冷器(2)安装在外壳(4)内部与热沉(1)对应的位置，其热端贴在外壳(4)腔壁上，冷端与冷屏(5)以及N级热电制冷器(3)热端相连，冷屏(5)将N级热电制冷器(3)、EMCCD(6)以及冷指(7)低温部件包围起来，冷指(7)处于N级热电制冷器(3)冷端与EMCCD(6)之间，充当两者间热量传递的桥梁；一级热电制冷器(2)与N级热电制冷器(3)堆叠而成的多级热电制冷器，一级热电制冷器的冷端与N级热电制冷器的热端相连，一级热电制冷器(2)冷端尺寸大于N级热电制冷器(3)热端尺寸，同时，一级热电制冷器(2)致冷时冷端温度，低于不与之相连时冷屏自身温度；为使N级热电制冷器(3)热端与一级热电制冷器(2)冷端相连，冷屏主体(5a)底面有开孔，开孔边缘与一级热电制冷器(2)冷端边缘相连，也要求保证良好的热接触；冷屏也有两处开孔，其作用分别是EMCCD信号线出口与光信号入口；冷屏使用紫铜为制作材料，目的是保证冷屏温度的均匀性，表面镀银处理，目的是提供良好的防辐射能力；EMCCD相机致冷系统冷屏设计技术要求冷屏(5)外表面与外壳(4)内表面间距为4‑6mm；当冷屏不与一级热电制冷器(2)冷端相连时，各换热量Q₁、Q₂、Q₃及T₁分别满足：$Q_1=Q_2=\frac{T_{AMB}-T_{CCD}}{R_1+R_2}=\frac{T_{AMB}-T_1}{R_1}=\frac{T_1-T_{CCD}}{R_2}$Q₃＝0$T_1=T_{AMB}-\frac{R_1·(T_{AMB}-T_{CCD})}{R_1+R_2}$当冷屏(5)与一级热电制冷器(2)冷端相连时，冷屏(5)温度T₁发生改变，变为与一级热电制冷器(2)冷端温度一致，此时Q₁、Q₂、Q₃分别满足：$Q_1=\frac{T_{AMB}-T_1}{R_1}$$Q_2=\frac{T_1-T_{CCD}}{R_2}$Q₃＝Q₁‑Q₂设计时保证了一级热电制冷器(2)冷端温度，低于不与之相连时冷屏自身温度，通过设计冷屏能够减少冷屏与EMCCD间的温差：T₁‑T_CCD，与此同时，EMCCD与冷屏间热阻R₂不随冷屏温度变化而变化，因此，设计冷屏能够有效减少环境进入EMCCD的热量Q₂，设计冷屏带来的副作用是在一级热电制冷器(2)上施加了额外的负载Q₃，但一级热电制冷器的效率较高，且Q₃较小，对致冷系统性能造成负面影响很小，可忽略不计；该EMCCD相机致冷系统冷屏装置能有效减少致冷时EMCCD与外界的换热量，对减少致冷系统负载，降低EMCCD致冷系统的最低致冷温度有积极的意义；试验证明，在使用惰性气体绝热的EMCCD相机致冷系统中，通过设计冷屏，使外界进入EMCCD的热量较原来减少了25％；该EMCCD相机致冷系统冷屏装置通过在EMCCD与外壳间设置一低温冷屏，能有效减少致冷系统工作时，EMCCD与周边环境的换热，进一步降低致冷系统的最低致冷温度；该EMCCD相机致冷系统冷屏装置通过在冷屏上镀银，能将环境辐射反射回去，减少一级热电制冷器上的负载。