超長線列紅外探測器杜瓦組件輻射熱評估方法研究

夏晨希，李 俊，孫 聞，王小坤

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超長線列紅外探測器杜瓦組件輻射熱評估方法研究

夏晨希1,2，李 俊1,2，孫 聞1,2，王小坤1

（1. 傳感技術國家重點實驗室，中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083；2. 中國科學院大學，北京 101408）

超長線列紅外探測器杜瓦組件大多采用橋式結構力學支撐，利用多點柔性冷鏈實現冷平臺溫度均勻。杜瓦組件結構復雜，利用傳統輻射熱公式計算相對困難。本文針對兩種結構的8000元超長線列杜瓦組件，先用ANSYS有限元模擬出兩種杜瓦的溫度場并提取出輻射熱；然后設計實驗測試杜瓦內12個典型位置溫度，驗證了溫度場準確性。同時基于材料的熱導率和溫度梯度計算熱流，從而間接計算出輻射熱。研究結果表明，有限元仿真輻射熱與實驗計算輻射熱誤差在2%左右。

長線列；輻射熱；有限元；杜瓦

0 引言

隨著我國空間技術的發展，紅外遙感儀器向著高靈敏度和高分辨率發展。在研制高分辨大視場光學系統中，為了克服視場和分辨率之間的矛盾，解決的途徑之一是采用高分辨率、超長線列紅外焦平面探測器組件[1]。目前，超長線列紅外焦平面探測器已經達到幾千元的規模，30000元超長線列探測器組件已成下一代空間遙感儀器的核心元件[2]。隨著波長向長波擴展和探測靈敏度的提高，紅外探測器必須在深低溫下才能工作。由于機械制冷具有結構緊湊、體積小、重量輕、制冷量大、制冷時間短、制冷溫度可控范圍大等優點，目前該類探測器在應用中大多采用機械制冷方式[3-4]。冷源多為單點制冷機的冷指，為了保證探測器性能的一致性，探測器的溫度均勻性需要最大溫差＜2K。在滿足超長線列紅外探測器溫度均勻性的前提下，本文對超長線列紅外探測器杜瓦組件內紅外探測器與單點冷源耦合的冷量傳輸特性進行分析，提出基于有限元模擬的輻射熱計算方法，并通過冷平臺溫度場實驗，對間接計算輻射熱的方法進行驗證。

1 超長線列紅外探測器杜瓦組件評估方法

超長線列紅外探測器杜瓦組件大多采用橋式結構力學支撐，利用多點柔性冷鏈實現冷平臺溫度均勻。以8000元超長線列紅外探測器件杜瓦組件為研究對象，開展研究。

1.1 超長線列紅外探測器杜瓦組件

圖1為8000元超長線列紅外探測器件杜瓦組件。該組件采用橋式結構，由兩側支撐托起冷平臺[5]。冷平臺長度達到248mm，上面搭載16個512子模塊拼接而成的探測器，組件內集成直線脈管制冷機。對于超長線列紅外探測器來說，柔性冷鏈是必備的部件，它起到了將制冷機的冷量從“點”向“面”傳輸的作用，保證了探測器模塊的溫度均勻性，同時隔離了制冷機的振動。該柔性冷鏈下端為實心圓柱體結構，上端為層狀樹形結構。

圖1 超長線列紅外探測器杜瓦組件結構示意圖

1.2 超長線列紅外探測器杜瓦組件有限元仿真輻射熱

ANSYS有限元模擬不僅僅能仿真固體傳導，還能針對多個面互相輻射的情形進行計算。對于有個面互相輻射的情況，ANSYS能生成角系數矩陣[]為×維矩陣，對平衡方程[]{}={}進行牛頓-拉爾森迭代可以求解多個輻射面與導熱耦合的溫度場。

針對兩種不同規格的8k超長線列紅外探測器杜瓦組件利用有限元仿真軟件模擬溫度場。Ⅰ型冷平臺尺寸和上冷屏開口大小為248mm×47mm，冷平臺表面拋光，Ⅱ型冷平臺尺寸和上冷屏開口大小為248mm×31mm，冷平臺表面拋光并鍍金。

將超長線列紅外探測器組件賦予恒溫的邊界條件，冷頭溫度為恒溫77K，杜瓦外殼恒溫295K，輸入材料在低溫下的熱導率可以得到固體傳導的仿真。同時，將各部件的表面均設置為輻射面，賦予不同的表面發射率，能夠得到在固體傳導和輻射換熱耦合溫度場的輻射熱。表面發射率主要受材料、表面加工情況和溫度的影響，本文中的表面發射率數值來源于文獻數據。主要部件的物性參數如表1所示[6-8]。ANSYS認為輻射是表面現象，不適用于透明模型，因此我們將高透過率的窗口發射率設置為0.9。對上述模型進行穩態熱模擬[9]。

通過ANSYS有限元模擬提取出輻射面的凈輻射值。對于超長線列探測器杜瓦組件，輻射熱為杜瓦外殼和窗口的凈輻射值之和，如表2所示。

2 實驗驗證輻射熱評估

2.1 實驗驗證輻射熱方法

探測器工作時，杜瓦腔體內處于高真空狀態（＜10－4Pa），剩余空氣處于自由分子狀態，相比于固體傳導和輻射換熱，對流換熱極小，因此忽略不計。固體傳導見圖2，制冷機提供的冷量1（總冷損）都經過冷鏈傳遞到冷平臺，再由兩端的支撐傳導到杜瓦外殼2和3，由于結構的對稱性，2與3相等。圖中未標出導線的固體傳導為4。杜瓦組件內部部件對杜瓦外殼的輻射熱為5。將杜瓦內部所有部件當做一個系統，包括冷平臺、冷鏈、支撐等，只考慮系統的冷量進入、流出，不考慮系統內部之間的冷量傳遞，如圖3所示，可以得到：

1＝22＋4＋5(1)

柔性冷鏈圓柱體部分完全被下冷屏籠罩，下冷屏的溫度與圓柱體溫度相差不大，因此我們將通過該圓柱體的熱流量近似認為是總冷損1。

表1 主要部件物性參數表

表2 2種杜瓦模擬輻射熱表

圖2 超長線列紅外探測器固體傳導示意圖

圖3 系統冷量流向示意圖

將冷鏈圓柱體、支撐、導線的導熱均看成是一維穩態導熱，根據一維傅里葉導熱定律式(2)，知道該部件上下兩端的溫度可以計算出溫差D，然后分別計算得到1、2、4：

式中：為熱流；為橫截面面積；為導熱系數；D為兩端的溫度差；為長度。

2.2 實驗驗證結果及分析

在柔性冷鏈、支撐、冷平臺上總共布置12個測溫二極管，然后利用真空泵將超長線列紅外探測器組件抽真空至10－4Pa量級，采用液氮相變制冷對冷頭制冷，保持冷頭的溫度恒定為77K。實時采集測溫二極管的讀數。

實驗得到各溫度點和模擬溫度場提取值如圖4、圖5所示。橫坐標為測溫點的編號，如圖2所示。1、2號點分布在柔性冷鏈的上下端；3號點在支撐的上端，支撐的下端認為是杜瓦外殼的溫度；4-11號點在冷平臺上；12號點在Ⅰ型中布置在上冷屏上，在Ⅱ型中布置在柔性冷鏈的樹狀結構上。這些溫度點分布在杜瓦組件的主要部件上，能夠代表整體的溫度場。

對比兩種規格的超長線列紅外探測器杜瓦組件的溫度場和有限元仿真的溫度場，兩者在測溫點上溫度分布相差在4.3%以內，因此能夠認為有限元仿真的溫度場與真實的溫度場相同。

圖4 Ⅰ型杜瓦溫度場散點示意圖

圖5 Ⅱ型杜瓦溫度場散點示意圖

基于冷鏈、支撐、導線的長度和橫截面積，結合實驗得到溫度點數據計算輻射熱，與ANSYS有限元模擬輻射熱比較，如表3所示。

3 結論

通過ANSYS有限元模擬得到了超長線列紅外探測器杜瓦組件的溫度場分布，并通過實驗測得了12個典型點的溫度分布與模擬結果相符，驗證了模擬結果的合理性。

表3 2種規格杜瓦輻射熱對照表

利用實測溫度點數據計算得到輻射熱與ANSYS有限元模擬中提取出來的輻射熱對比，誤差在2%左右。認為有限元模擬方法準確可行的，為超長線列紅外探測器的結構設計、優化起到了參考作用。

[1] Rogalski A.. Infrared Detectors for the Future[J]., 2009, 116: 389-406.

[2] 龔海梅, 邵秀梅, 李向陽, 等. 航天先進紅外探測器組件技術及應用[J]. 紅外與激光工程, 2010, 40(12): 3129-3140.

Gong Haimei, Shao Xiumei, Li Xiangyang, et al. Advanced technology and application of spaceborne infrared detectors[J]., 2010, 40(12): 3129-3140.

[3] 曹永剛, 陳曦, 吳亦農. 空間用斯特林型脈管制冷機的應用現狀研究[J]. 紅外, 2013, 6.

CAO Yonggang, CHEN Xi, WU Yinong. Review of Key Technologies of Stirling-type Pulse Tube Cryocoolers for Space Application[J]., 2013, 6.

[4] Raab J, Tward E. Northrop Grumman aerospace systems cryocooler overview[J]., 2010, 50(9): 572-581.

[5] 范廣宇, 龔海梅, 李言謹, 等. 紅外焦平面器件溫度循環可靠性研究[J]. 紅外與激光工程, 2015, 44(7): 2021-2026.

Fan Guangyu, Fan Cui, Li Jun, Gong Haimei. Cold strap design of long linear IRFPA dewar[J]., 2015, 44(7): 2021-2026.

[6] 夏王. 長線列長波碲鎘汞紅外焦平面杜瓦組件封裝技術研究[D]. 上海: 上海技術物理研究所, 2012: 20-21.

Xia Wang. Study on long linear HgCdTe LWIRFPA dewar assembly package technology[D]. Shanghai: Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences, 2012: 20-21

[7] 孫再龍, 趙雪燕，何淑珍, 等. 光電元器件[M]. 天津: 航天工業總公司第三研究院, 2001: 250-253.

Sun Zailong, Zhao Xueyan, He Shuzhen, et al. Optoelectronic components[M]. Tianjing: Aerospace Industry Corporation Third Research Institute, 2001: 250-253.

[8] 陳國邦, 張鵬. 低溫絕熱與傳熱技術[M]. 北京: 科學出版社, 2004.

CHEN Guobang, ZHANG Peng. Low temperature adiabatic and heat transfer technology[M]. Beijing: Science Press, 2004.

[9] Minoru Kobayashi, Hiroshi Akao,Shigeki Akagia, et al. Extremely low-temperature properties of silicone compound used for thermal coupling in cryostat of SWIR/ASTER on TERRA[C]//The International Society for Optical Engineering,2014: 915140.

Research on Evaluation Method of Radiant Heat of Long Linear IRFPA Dewar

XIA Chenxi1,2，LI Jun1,2，SUN Wen1,2，WANG Xiaokun1

(1.,,, 200083,; 2., 101408,)

In most long linear infrared focal plane (IRFPA) Dewars, the detectors are supported by a bridge structure. Flexible thermal links are used to maintain uniform temperature of the cold platform. It is difficult to calculate the radiant heat of Dewar components using an empirical formula. In this study, the radiant heat of a Dewar is simulated using the ANSYS finite element method. Furthermore, the temperature field of the Dewar components is experimentally measured. The heat flow is calculated based on the thermal conductivity and temperature gradient. Consequently, the radiant heat is calculated indirectly. The results show that the deviation between the radiant heats simulated using ANSYS and calculated indirectly using the temperature field is approximately 2%.

long linear IRFPA Dewar，radiant heat，finite element

TN215

A

1001-8891(2017)09-0794-04

2017-03-21；

2017-07-16.

夏晨希（1992-），男，碩士研究生，主要從事超大規模紅外探測器杜瓦組件方面研究。E-mail：xcx55955@163.com。