Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах. Ч.1 (2002), страница 8

Вместо откачки через игольчатый вентиль можноиспользовать стабилизатор давления – маностат.При работе выше 80 К вместо жидкого гелия в бачке 2 используетсяжидкий азот. При этом конструкцию криостата можно значительно упростить, выполнив ее с одним бачком.Однако несмотря на широкое распространение расмотренных криостатов 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 взаднем рабочем отрезке оптической системы, возможность юстировки, а также работоспособность окном вниз, вверх, вбок и т.

п. Для работы в условиях астрофизической обсерватории широко использовалсяазотный оптический криостат, показанный на рис. 7.2, где 1 – входноеокно из лейкосапфира; 2 – вакуумный кожух; 4 – крионасос на основеберезового активированного угля (БАУ); 5 – рабочая камера; 6 – азотный контейнер; 7– вакуумный вентиль; 9 – наружный разъем типаРСГС-50; 10 – патрубок для заливки жидкого азота; 11 и 12 – парозаборники 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, просто50прижав к хладопроводу. Для охлаждения и криостатирования подобныхфотоприемников применяли циркуляционное охлаждение парами испаряющегося азота. Температура паров равна температуре стенок рабочей камеры 5, так что измерять температуру ГИС не надо.131412111510N2198274Фокальнаяплоскость ОС356Рис.

7.2Входное окно – из лейкосапфира ∅ 80 мм; охлаждаемое окно – излейкосапфира ∅ 60 мм. К нему прижата пластина из германия маркиГМО-1 ∅ 60 мм. Эта комбинация образует полосовой ИК-фильтр (охлаждаемый) от 1,7 до 5,5 мкм – K и L-диапазоны МФС.При заливке жидкого азота и при работе заливной патрубок 10 долженбыть герметичен, иначе в камере 5 конденсируется жидкий воздух.В качестве конструкционных материалов для изготовления криостатов используется нержавеющая сталь XI8H9T листовая и тонкостенные трубы ОХ18H9Т. Эти материалы обладают наименьшей теплопроводностью среди металлов: λнержавеющей стали ≈ 1 Вт/cм⋅К; λстекла = 0,008Вт/см⋅К; λCu = 4–5 Вт/см⋅К; λстеклопластиков = (2–3)⋅10–3 Вт/см⋅К.Высокой теплопроводностью также обладают Au, Ag, Al.51Из диэлектриков наилучшие показатели имеют:– кварц λSiO2 = (0,5–1) Вт/см⋅К;– лейкосапфир λ Al2O3 = (1–2) Вт/см⋅К;– окись бериллия λ BeO = (1–2) Вт/см⋅К.Криостат на рис. 7.2 не требует высоковакуумной откачки.

Передзаливкой N2 его необходимо откачать механическим или цеолитовымфорвакуумным насосом до давления p ≤ 5⋅10–2 TTopp, после чего вентиль 7 закрывается, и в контейнер 6 заливается жидкий азот. Мгновенно в вакуумной полости криостата устанавливается давлениеp ≤ 1⋅10 –4 T Тopp, достаточное для обеспечения надежной вакуумнойтеплоизоляции всех охлаждаемых частей за счет действия крионасоса 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 парозаборник выполняется по схеме 12.Емкость криостата – 3–4 литра жидкого азота. Этого хватает на6–8 ч работы без подлива.Крионасос с углем БАУ саморегенерируется при отогреве полостидо 300 К.Конструкция криостата на рис. 7.2 защищена авторским свидетельством на изобретение СССР.7.1. Низкотемпературная термометрияОпустим вопросы термометрии при гелиевых и водородных температурах, ибо из всех ПИ они представляют интерес только для одноэлементных тепловых приемников (болометров), которые в качестве приемников изображения не используются.В области температур от тройной точки азота 63,15 до 300 К используются термопары медь – константан, хромель – алюмель и хромель –капель, а также термометры сопротивления на основе монокристалловгермания или арсенида галлия.Измеритель температуры устанавливается на изотермической поверхности рядом с ПИ и экранируется от теплового излучения теплыхчастей криостата. В криостате на рис.

7.2 измерять температуру ненадо, так как она гарантируется на уровне Тн.к = 77,35 К.527.2. Регулирование и стабилизация температурыв криостатах азотного уровня (область Т ≥ 80 К)Наиболее простой способ терморегулирования – это метод регулируемого теплового моста (рис. 7.3), где 1 – контейнер N2; 2 – тепловоймост; 3 – нагреватель; 4 – площадка хладопровода; 5 – охлаждаемыйэкран; 6 – датчик температур; 7 – ПИ.Материал теплового моста выбирается из расчета на7чально заданного перепадатемператур. ПИ и датчик тем- N2пературы приводятся в хороший тепловой контакт с хла6допроводом, а следящая сис2тема с обратной связью вклю341чает и выключает нагрева5тель 3 по показаниям датчикаРис.

7.3температуры 6. При этом желательно применять экранировку всего устройства низкотемпературнымэкраном, оставляя лишь диафрагму для падающего сигнального потока.81N2276543Рис. 7.4Очень эффективен метод Свенсона, заключающийся в циркуляциижидкого или испаренного криоагента через теплообменник,n встроенный в держатель ПИ (рис.

7.4), где 1 – входное окно; 2 – охлаждаемая53диафрагма (с блендой); 3 – ПИ; 4 – хладопровод; 5 – теплообменник;6 – нагреватель; 7 – контейнер с азотом; 8 – парозаборник.Испаренный азот из парозаборника 8 подается в теплообменник5 хладопровода 4, снабженного нагревателем 6 и следящей системой собратной связью от датчика температуры.Можно также регулировать давление поступающих паров или подогревать кусок трубки паропровода на входе в хладопровод.После освоения такой техники и технологии можно считать себя готовым к началу работы по исследованию параметров любых приемников излучения.548.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЛЯАЭРОКОСМИЧЕСКИХ ПИОптическая система (ОС) – важнейший элемент любой ИК-системы. Ее задача – спроецировать изображение цели на ПИ, расположенный в плоскости фокусировки ОС. Для всех ИК-систем с линейными иматричными ИК-приемниками применяются сверхсветосильные ОС сотносительным отверстием – отношением диаметра входного зрачка кфокусному расстоянию, близким к 1:1. Это связано с необходимостьюобеспечивать достаточно большой угол поля зрения ОС при очень небольших размерах БИС линеек и матриц.Вообще при заданном фокусе угол поля зрения целиком и полностьюопределяется размерами ПИ (так называемой "полевой" диафрагмой,располагаемой по краям фоточувствительного поля ПИ).Различают "полный" угол поля зрения – угол, стягиваемый всей площадью ПИ, и "мгновенный" угол поля зрения – угол, стягиваемый одним "пикселем" – элементом линейки или матрицы ПИ.

Он определяетразрешение всей приемной системы. Обычно размер пикселя сопрягают с кружком рассеяния ОС.Стандарт США и НАТО для ИК-систем высокого разрешения –6000×6000 элементов в полном углу поля зрения.Важнейшей характеристикой любой ОС является так называемыйдиаметр "кружка рассеяния" с заданным процентом (коэффициентом)концентрации энергии в пятне, являющимся изображением в плоскости фокусировки точечного ИК-источника излучения, удаленного набесконечность. Эта ситуация имитируется с помощью большого коллиматора и миниатюрного моноэлементного ИК-приемника, с помощью которого и измеряется коэффициент концентрации энергии впятне (рис. 8.1).Для любого объектива рассчитывается так называемый "дифракционный предел" – минимальный размер кружка рассеяния с коэффициентом концентрации 0,8–0,9, определяемый неустранимыми диффракцими.

Это – идеальный объектив.55На практике у каждой ОС имеются различные аберрации: сферическая, хроматическая, аберрациякомы и др.YРаспределениеосвещенносКонцентрацияnэнергиити в плоскости фокусировкив пятне1,0(рис. 8.1) является гауссоидойвращения. Для длины волныПлохая ОС3,0 мкм диаметр кружка рассе0,5яния идеального объектива сХорошая ОСкоэффициентом концентрацииэнергии 80–90 % равен пример0,1X, мкм–Xно 20 мкм, если ОС выполнена0∅ 20мкм, n ≥ 60 %∅60мкм, n ≥ 90 % на диффракционном пределе.Это крайне сложно для светоРис.8.1сильных объективов.

Достигается это применением асферических зеркал (2–6 порядков).На практике кружок рассеяния определяет разрешающую способность ОС, а стало быть, и всей ИК-системы. Чем меньше кружок рассеяния, тем выше пороговая чувствительность ИК-системы (меньшепороговый поток). Кружок рассеяния, точнее его диаметр, еще называют "качеством" оптики.Рассмотрим наиболее распространенные и совершенные ОС дляработы с линейными и матричными ИК-приемниками.8.1.