發(fā)布時間：2020-07-31 17:27

【摘要】：EMCCD是當(dāng)前世界上靈敏度最高的成像器件之一,在天文觀測、生物醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)物理研究及其他領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用和旺盛的需求。致冷是減小EMCCD熱生暗電流的唯一手段,它還有助于提升EMCCD的倍增增益,是EMCCD高靈敏度不可替代的保障技術(shù)。當(dāng)前國外部分相機公司掌握了該項技術(shù),并視該項技術(shù)為其相機的核心競爭力。而國內(nèi)在這方面的研究十分薄弱,本項研究的重要性因此而突出。在對具體致冷技術(shù)進行研究之前,對EMCCD性能與溫度之間的關(guān)系進行了定量分析,從理論上得到CCD60、CCD97和CCD201三款EMCCD芯片的臨界致冷溫度。之后,本文從絕熱設(shè)計、熱電制冷器(Thermoelectric Cooler,TEC)設(shè)計與優(yōu)化、溫度測量三個方面對EMCCD相機致冷技術(shù)進行深入研究。絕熱設(shè)計的首要任務(wù)是提出可行的方案,實現(xiàn)EMCCD芯片與環(huán)境之間的高效絕熱。首先對EMCCD相機的傳熱途徑進行分析,發(fā)現(xiàn)抑制殘余氣體傳熱是絕熱設(shè)計的關(guān)鍵;隨后具體分析了被廣泛使用的真空絕熱的原理、效果以及應(yīng)用于本項研究的難點;面對這些難點,本文基于傳熱學(xué)與流體力學(xué)相關(guān)理論,創(chuàng)新性的提出了“基于控制氪氣厚度抑制自然對流絕熱”和“基于控制氪氣壓強抑制自然對流絕熱”兩種絕熱方案,使用理論分析、數(shù)值計算、仿真分析等多種分析手段相結(jié)合的方法,從原理、絕熱效果及失效條件等方面對此兩種方案進行了詳細(xì)分析與論證;并依據(jù)第一種方案,設(shè)計了一臺CCD60相機實驗樣機,同時依據(jù)第二種方案,設(shè)計了一套實驗系統(tǒng)。熱電制冷器設(shè)計與優(yōu)化的目的是優(yōu)化致冷系統(tǒng)中TEC的結(jié)構(gòu)和工作電流,以達到更低的致冷溫度和更高的致冷效率。從熱電制冷的基本原理出發(fā),提出“有限元分析法”和“經(jīng)驗參數(shù)法”兩種TEC數(shù)值分析方法,并對這兩種方法的準(zhǔn)確性和適用范圍進行研究;隨后,使用“經(jīng)驗參數(shù)法”對TEC的最優(yōu)性能參數(shù)特性與外部影響因素進行分析,綜合分析結(jié)論,提出了一套TEC優(yōu)化設(shè)計方法,運用該設(shè)計方法完成兩套實驗系統(tǒng)TEC的設(shè)計;最后,結(jié)合“經(jīng)驗參數(shù)法”與實驗方案的熱網(wǎng)絡(luò)圖,對實驗系統(tǒng)致冷效果進行數(shù)值計算,并對不同致冷溫度下TEC的工作電流進行優(yōu)化。由于熱電制冷器性能與散熱熱阻密切相關(guān),本文對TEC散熱過程中的接觸熱阻、傳導(dǎo)熱阻和散熱器熱阻進行了認(rèn)真研究,制定了熱阻的優(yōu)化方案并從理論上計算了優(yōu)化熱阻值;其中,散熱器熱阻占有最大比重,不但設(shè)計了風(fēng)冷和水冷兩個散熱方案,還在此基礎(chǔ)上全新設(shè)計了一款風(fēng)冷、水冷一體式散熱器,并對新散熱器的性能進行了理論分析。本文還對致冷系統(tǒng)的溫度測量技術(shù)進行研究,在明確系統(tǒng)測溫需求和充分調(diào)研的基礎(chǔ)之上,選擇IST公司型號為P1K0.232.4SW.B.010的PT1000鉑電阻作為致冷系統(tǒng)的溫度傳感器,還對該溫度傳感器的測溫精度進行了實驗驗證。最后,對兩套系統(tǒng)進行實驗測試,實驗內(nèi)容包括;氪氣壓強對致冷溫度的影響、致冷溫度的時間響應(yīng)特性、理論優(yōu)化工作點的實際工作狀態(tài)測試和最低致冷溫度測試,實驗結(jié)果符合預(yù)期,在最后,通過與Andor DV860相機進行對比,展示了自主研制的CCD60相機的相關(guān)參數(shù)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB66;TB85

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本文編號：2776777