【摘要】：科研級(jí)相機(jī)在微光成像、天文觀測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其探測(cè)能力極限取決于總體噪聲水平。深度制冷可有效抑制其熱生暗電流,從而大大提高相機(jī)的信噪比。目前國(guó)外基于熱電制冷的科研級(jí)相機(jī)深度制冷技術(shù)已發(fā)展成熟,而國(guó)內(nèi)尚無高性能深度制冷型科研級(jí)相機(jī)產(chǎn)品面世,這既有相機(jī)電子學(xué)系統(tǒng)難度大的原因,同時(shí)也有國(guó)內(nèi)長(zhǎng)壽命真空封裝及深度制冷技術(shù)不成熟的原因。在EMCCD、CCD、CMOS等圖像傳感器已初步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的背景下,作為科學(xué)級(jí)相機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一的深度制冷技術(shù)的自主可控已刻不容緩。首先,在所有可見光圖像傳感器中,以對(duì)制冷溫度要求較高的EMCCD為例,通過制冷溫度對(duì)其性能影響的分析,確定了需制冷到-90℃左右才能有效抑制其熱生暗電流。然后對(duì)實(shí)現(xiàn)深度制冷的四個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入研究,包括冷端高效絕熱、杜瓦真空封裝、熱電制冷器(TEC)性能優(yōu)化和熱端散熱,在此基礎(chǔ)上,研制了一套基于熱電制冷的制冷溫度可達(dá)-90℃、理論真空壽命可達(dá)10年的深度制冷系統(tǒng)。冷端絕熱是為了降低TEC的熱負(fù)載從而獲得更低的制冷溫度。首先根據(jù)漏熱量對(duì)制冷溫度的影響,確定目標(biāo)漏熱量。然后對(duì)熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種漏熱途徑,分別進(jìn)行理論分析和數(shù)值仿真,根據(jù)漏熱量中各個(gè)變量對(duì)漏熱量影響的分析,進(jìn)行杜瓦的絕熱設(shè)計(jì)。分析表明,為有效抑制冷端漏熱,杜瓦壓強(qiáng)應(yīng)0.1Pa,因此,必須對(duì)杜瓦進(jìn)行真空封裝。真空封裝是抑制杜瓦內(nèi)氣體傳導(dǎo)漏熱、對(duì)流漏熱的有效方法,通過對(duì)放氣、泄漏、滲透的理論分析表明,總漏氣量中,材料放氣占比最大,泄漏和滲透占比相對(duì)較小。此外,泄漏的分析表明,要想真空保持時(shí)間達(dá)到10年,由于氬氣的泄漏,杜瓦漏率也應(yīng)5.9e~(-8)PaL/s,據(jù)此,選取了有效的密封措施來保障低泄漏率。最后對(duì)滲透漏氣量進(jìn)行了理論計(jì)算。TEC性能優(yōu)化的目的是針對(duì)某一工況,設(shè)計(jì)一款性能最優(yōu)的TEC。由于廠家提供的性能曲線誤差大、且不提供性能計(jì)算中所必須的熱電材料參數(shù)等原因,本文創(chuàng)新性的提出了兩種提取熱電材料參數(shù)的方法,并通過提取的參數(shù)計(jì)算另一款不同結(jié)構(gòu)TEC性能,然后與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了所提取的參數(shù)均可有效的表征熱電材料的性能。第一種基于熱電效應(yīng)基本公式方法提取的參數(shù)計(jì)算的制冷溫度和電壓的誤差分別4.11%和6.80%,第二種基于數(shù)值分析方法提取的參數(shù)計(jì)算的制冷溫度和電壓的誤差均3%。并在第二種方法提取的材料參數(shù)的基礎(chǔ)上,利用遺傳算法優(yōu)化并定制了一款五級(jí)TEC。熱端有效散熱是保障TEC能進(jìn)行深度制冷的另一個(gè)重要因素。本文針對(duì)不同的應(yīng)用需求,采用風(fēng)冷+水冷兩種散熱模式,分別計(jì)算分析了兩種模式下對(duì)散熱熱阻的要求,并依此設(shè)計(jì)了一款風(fēng)冷+水冷一體式散熱器,并對(duì)該散熱器兩種模式下的熱阻進(jìn)行了理論分析。課題最后對(duì)杜瓦的真空封裝性能進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,包括各個(gè)密封處的漏率測(cè)試,器件的放氣率測(cè)試,同時(shí)對(duì)吸氣劑維持杜瓦真空可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。然后對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行了最后的組裝,并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試,包括制冷溫度和熱端散熱能力的測(cè)試。該系統(tǒng)是一套通用性制冷系統(tǒng),可適用于發(fā)熱量小于1W的圖像傳感器的深度制冷。
【圖文】：

遍接近-100℃，這主要取決于噪聲水平與制冷溫度的關(guān)系。相對(duì)于其他類型圖像傳感器，EMCCD 經(jīng)過倍增增益可有效抑制讀出噪聲，其暗電流噪聲水平直接決定了EMCCD 相機(jī)的探測(cè)能力，在所有的可見光圖像傳感器中，，EMCCD 對(duì)制冷溫度的要求最高，下面以 EMCCD 為例，通過制冷對(duì)其性能影響的分析，從而得出對(duì)制冷溫度的要求。與傳統(tǒng) CCD 相比，EMCCD 在對(duì)信號(hào)讀出之前增加了電子倍增寄存器，如圖1.1 所示。它利用高時(shí)鐘電壓將成像區(qū)形成的電子與原子進(jìn)行碰撞電離從而放大有效信號(hào)，而讀出噪聲卻未發(fā)生變化，該倍增機(jī)制極大的提高了其靈敏度。

圖 1. 2 倍增增益對(duì)成像質(zhì)量的影響Figure1.2 Effect of multiplication gain on imaging quality圖 1. 3 制冷溫度對(duì)成像質(zhì)量的影響Figure1.3 Effect of cooling temperature on imaging quality
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB657;TP212

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 Zhigang Chen;Guang Han;Lei Yang;Lina Cheng;Jin Zou;;Nanostructured thermoelectric materials:Current research and future challenge[J];Progress in Natural Science:Materials International;2012年06期

本文編號(hào)：2631008