Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапозонах - Формозов Б.Н.
Скачать (прямая ссылка):
- от 60 до 1,2 К - с помощью жидкого гелия (Тн к = 4,2 К) в качестве основного криоагента, и жидкого азота - в качестве экранирующего.
48 Рис. 7.1
На рис. 7. 1 представлена схема конструкции гелиевого терморегулируемого криостата для оптических исследований. Его можно выполнить и окном вбок или вверх в зависимости от исследовательской задачи.
Несмотря на то, что температура нормального кипения азота равна 77,35 К, а гелия - 4-4,2 К, с использованием этих жидкостей возможно регулирование и стабилизация температуры в оптических криостатах в указанных пределах.
49 Наибольшее распространение получили криостаты с регулированием температуры по методу Свенсона и его модификаций, схема которого представлена на рис. 7.1.
На рис. 7.1: 1 - азотный бачок; 2 - гелиевый бачок; 3 - крионасос;
4 - теплообменник с заборником испаренного или жидкого гелия;
5 - патрубок для дренажа испаренного гелия; 6 - ТТФЭП; 7, 8 - охлаждаемые фильтры; 9 - входное окно; 10 - фланец для установки в оптической системе; 11 - охлаждаемая диафрагма; 12 - герметичный разъем; 1З - вакуумный корпус; 14 - верхний фланец с заливными патрубками; 15 - вакуумный вентиль; 16 - игольчатый вентиль; 17 - уплотнение.
При откачке паров гелия через игольчатый вентиль можно обеспечить регулирование и стабилизацию температуры ТТФЭП в пределах от 6-8 до ? 80 К. Вместо откачки через игольчатый вентиль можно использовать стабилизатор давления - маностат.
При работе выше 80 К вместо жидкого гелия в бачке 2 используется жидкий азот. При этом конструкцию криостата можно значительно упростить, выполнив ее с одним бачком.
Однако несмотря на широкое распространение расмотренных криос-татов в лабораторной практике, работы на телескопе с такими традиционными конструкциями затруднительна. Для этого целесообразно специальное исполнение, обеспечивающее стабильность взаимного расположения всех элементов фотоприемного устройства, расположенных в заднем рабочем отрезке оптической системы, возможность юстировки, а также работоспособность окном вниз, вверх, вбок и т. п. Для работы в условиях астрофизической обсерватории широко использовался азотный оптический криостат, показанный на рис. 7.2, где 1 - входное окно из лейкосапфира; 2 - вакуумный кожух; 4 - крионасос на основе березового активированного угля (БАУ); 5 - рабочая камера; 6 - азотный контейнер; 7- вакуумный вентиль; 9 - наружный разъем типа РСГС-50; 10 - патрубок для заливки жидкого азота; 11 и 12 - пароза-борники испаряющегося азота; 13 - фланец для установки охлаждаемого окна; 14 - индиевое разборное сочленение; 15 - фотоприемник; 8 - дренаж паров N2; 3 - опоры из СТЭФ.
В отличие от одноэлементных ПИ или небольших линеек ТТФЭП (ПЗС) представляет собой гибридную интегральную сборку (ГИС) -некомпактное изделие, которое невозможно криостатировать, просто
50 прижав к хладопроводу. Для охлаждения и криостатирования подобных фотоприемников применяли циркуляционное охлаждение парами испаряющегося азота. Температура паров равна температуре стенок рабочей камеры 5, так что измерять температуру ГИС не надо.
Рис. 7.2
Входное окно - из лейкосапфира Ф 80 мм; охлаждаемое окно - из лейкосапфира Ф 60 мм. К нему прижата пластина из германия марки ГМО-1 Ф 60 мм. Эта комбинация образует полосовой ИК-фильтр (охлаждаемый) от 1,7 до 5,5 мкм - K и Z-диапазоны МФС.
При заливке жидкого азота и при работе заливной патрубок 10 должен быть герметичен, иначе в камере 5 конденсируется жидкий воздух.
В качестве конструкционных материалов для изготовления криоста-тов используется нержавеющая сталь XI8H9T листовая и тонкостенные трубы ОХ 18Н9Т. Эти материалы обладают наименьшей теплопроводностью среди металлов: ^нержавеющей стали D 1 Вт/смЖ; D™ = 0,008
= (2-3) Q0-? Вт/смЖ.
Вт/смЖ; D^ = 4-5 Вт/смЖ; ?
-jCu
стеклопластиков
Высокой теплопроводностью также обладают Au, Ag, Al.
51 Из диэлектриков наилучшие показатели имеют: - кварц GsiO2 = (0,5-1) Вт/смЕК;
- лейкосапфир Oai2O, = (1-2) Вт/смЕК;
- окись бериллия uBeO = (1-2) Вт/смЕК.
Криостат на рис. 7.2 не требует высоковакуумной откачки. Перед заливкой N2 его необходимо откачать механическим или цеолитовым форвакуумным насосом до давления p ? 5Е10-2 TTopp, после чего вентиль 7 закрывается, и в контейнер 6 заливается жидкий азот. Мгновенно в вакуумной полости криостата устанавливается давление p ? 1Е10-4 TТорр, достаточное для обеспечения надежной вакуумной теплоизоляции всех охлаждаемых частей за счет действия криона-соса 4 на основе угля БАУ.
Криостат на рис. 7.2 очень удобен при работе с наземными телескопами системы Кассегрена, когда он должен работать в положении окном 1 вверх. В этом случае патрубок 10 затыкается пробкой, а пароза-борник выполняется по схеме 12.
Емкость криостата - 3-4 литра жидкого азота. Этого хватает на 6-8 ч работы без подлива.
Крионасос с углем БАУ саморегенерируется при отогреве полости до 300 К.
Конструкция криостата на рис. 7.2 защищена авторским свидетельством на изобретение СССР.
7.1. Низкотемпературная термометрия
