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(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 101408）

超長線列紅外探測器杜瓦組件大多采用橋式結(jié)構(gòu)力學(xué)支撐，利用多點(diǎn)柔性冷鏈實(shí)現(xiàn)冷平臺溫度均勻。杜瓦組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用傳統(tǒng)輻射熱公式計(jì)算相對困難。本文針對兩種結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試杜瓦內(nèi)12個(gè)典型位置溫度，驗(yàn)證了溫度場準(zhǔn)確性。同時(shí)基于材料的熱導(dǎo)率和溫度梯度計(jì)算熱流，從而間接計(jì)算出輻射熱。研究結(jié)果表明，有限元仿真輻射熱與實(shí)驗(yàn)計(jì)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(shù)的發(fā)展，紅外遙感儀器向著高靈敏度和高分辨率發(fā)展。在研制高分辨大視場光學(xué)系統(tǒng)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(jīng)達(dá)到幾千元的規(guī)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(kuò)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(jī)械制冷具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、制冷量大、制冷時(shí)間短、制冷溫度可控范圍大等優(yōu)點(diǎn)，目前該類探測器在應(yīng)用中大多采用機(jī)械制冷方式[3-4]。冷源多為單點(diǎn)制冷機(jī)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(nèi)紅外探測器與單點(diǎn)冷源耦合的冷量傳輸特性進(jìn)行分析，提出基于有限元模擬的輻射熱計(jì)算方法，并通過冷平臺溫度場實(shí)驗(yàn)，對間接計(jì)算輻射熱的方法進(jìn)行驗(yàn)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(jié)構(gòu)力學(xué)支撐，利用多點(diǎn)柔性冷鏈實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，由兩側(cè)支撐托起冷平臺[5]。冷平臺長度達(dá)到248mm，上面搭載16個(gè)512子模塊拼接而成的探測器，組件內(nèi)集成直線脈管制冷機(jī)。對于超長線列紅外探測器來說，柔性冷鏈?zhǔn)潜貍涞牟考?，它起到了將制冷機(jī)的冷量從“點(diǎn)”向“面”傳輸?shù)淖饔茫ＷC了探測器模塊的溫度均勻性，同時(shí)隔離了制冷機(jī)的振動。該柔性冷鏈下端為實(shí)心圓柱體結(jié)構(gòu)，上端為層狀樹形結(jié)構(gòu)。

圖1 超長線列紅外探測器杜瓦組件結(jié)構(gòu)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(dǎo)，還能針對多個(gè)面互相輻射的情形進(jìn)行計(jì)算。對于有個(gè)面互相輻射的情況，ANSYS能生成角系數(shù)矩陣[]為×維矩陣，對平衡方程[]{}={}進(jìn)行牛頓-拉爾森迭代可以求解多個(gè)輻射面與導(dǎo)熱耦合的溫度場。

針對兩種不同規(guī)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(dǎo)率可以得到固體傳導(dǎo)的仿真。同時(shí)，將各部件的表面均設(shè)置為輻射面，賦予不同的表面發(fā)射率，能夠得到在固體傳導(dǎo)和輻射換熱耦合溫度場的輻射熱。表面發(fā)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(fā)射率數(shù)值來源于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。主要部件的物性參數(shù)如表1所示[6-8]。ANSYS認(rèn)為輻射是表面現(xiàn)象，不適用于透明模型，因此我們將高透過率的窗口發(fā)射率設(shè)置為0.9。對上述模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證輻射熱評估

2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證輻射熱方法

探測器工作時(shí)，杜瓦腔體內(nèi)處于高真空狀態(tài)（＜10－4Pa），剩余空氣處于自由分子狀態(tài)，相比于固體傳導(dǎo)和輻射換熱，對流換熱極小，因此忽略不計(jì)。固體傳導(dǎo)見圖2，制冷機(jī)提供的冷量1（總冷損）都經(jīng)過冷鏈傳遞到冷平臺，再由兩端的支撐傳導(dǎo)到杜瓦外殼2和3，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，2與3相等。圖中未標(biāo)出導(dǎo)線的固體傳導(dǎo)為4。杜瓦組件內(nèi)部部件對杜瓦外殼的輻射熱為5。將杜瓦內(nèi)部所有部件當(dāng)做一個(gè)系統(tǒng)，包括冷平臺、冷鏈、支撐等，只考慮系統(tǒng)的冷量進(jìn)入、流出，不考慮系統(tǒng)內(nèi)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(rèn)為是總冷損1。

表1 主要部件物性參數(shù)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(dǎo)示意圖

圖3 系統(tǒng)冷量流向示意圖

將冷鏈圓柱體、支撐、導(dǎo)線的導(dǎo)熱均看成是一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，根據(jù)一維傅里葉導(dǎo)熱定律式(2)，知道該部件上下兩端的溫度可以計(jì)算出溫差D，然后分別計(jì)算得到1、2、4：

式中：為熱流；為橫截面面積；為導(dǎo)熱系數(shù)；D為兩端的溫度差；為長度。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果及分析

在柔性冷鏈、支撐、冷平臺上總共布置12個(gè)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(shí)時(shí)采集測溫二極管的讀數(shù)。

實(shí)驗(yàn)得到各溫度點(diǎn)和模擬溫度場提取值如圖4、圖5所示。橫坐標(biāo)為測溫點(diǎn)的編號，如圖2所示。1、2號點(diǎn)分布在柔性冷鏈的上下端；3號點(diǎn)在支撐的上端，支撐的下端認(rèn)為是杜瓦外殼的溫度；4-11號點(diǎn)在冷平臺上；12號點(diǎn)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(jié)構(gòu)上。這些溫度點(diǎn)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(guī)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(diǎn)上溫度分布相差在4.3%以內(nèi)，因此能夠認(rèn)為有限元仿真的溫度場與真實(shí)的溫度場相同。

圖4 Ⅰ型杜瓦溫度場散點(diǎn)示意圖

圖5 Ⅱ型杜瓦溫度場散點(diǎn)示意圖

基于冷鏈、支撐、導(dǎo)線的長度和橫截面積，結(jié)合實(shí)驗(yàn)得到溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算輻射熱，與ANSYS有限元模擬輻射熱比較，如表3所示。

3 結(jié)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(shí)驗(yàn)測得了12個(gè)典型點(diǎn)的溫度分布與模擬結(jié)果相符，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的合理性。

表3 2種規(guī)格杜瓦輻射熱對照表

利用實(shí)測溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)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(rèn)為有限元模擬方法準(zhǔn)確可行的，為超長線列紅外探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)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(jìn)紅外探測器組件技術(shù)及應(yīng)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(nóng). 空間用斯特林型脈管制冷機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)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(jǐn), 等. 紅外焦平面器件溫度循環(huán)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(shù)研究[D]. 上海: 上海技術(shù)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(yè)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(shù)[M]. 北京: 科學(xué)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(guī)模紅外探測器杜瓦組件方面研究。E-mail：xcx55955@163.com。