Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприёмные устройства в видимом и инфракрасном диапазонах. Ч.2 (2002) (1095906), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Для изготовХолод 2ления термоэлементов используютсяT0 Q0твердые растворы халькогенидов сурьРис.14.2мы в халькогенидах висмута и теллура.Термоэлемент представлен на (рис. 14.2), где 1 –спай; 2 – коммутационные пластины.Однокаскадный ТЭО представленна рис. 14.3.Наиболее известны ТЭМО-7и ТЭМО-5; габарита 10×12; 12×14и т. д.; J = 2,5–3 А; U = 3–4 В;Рис. 14.3Р = 7–12 Вт.Лучшие термобатареи имеют параметры:≈ 1,0 A; U ≈ 3 – 5 Вт; Р = 3–5 Вт;∆TI∆Tmax = 95–100 К; Qo = P при ∆T = max .2214.1. Многокаскадные ТЭОХолодильный коэффициент при каскадировании на единичный каскад растет примерно на 10 % с увеличением на i + 1 каскад.На рис.
14.4 представлена зависимость ∆T от потребляемой мощности. Схема трехкаскадной ТЭБ представлена на рис. 14.5.Двухкаскадные ТЭБ имеют параметры: ТЭБ-023; ∆T max = 90 К приР = 7 Вт; "Кама-Т1, "Кама-Т2", "Мальта-2": J = 1,0 A; Р = З–4 Вт; ∆Tmax = 80 Кпри Q ≈ 0,35 Вт.∆T, К∆Tmax=95–100 К70 К2−каскадный∆Tmax201−каскадный123 4 56 P, ÂòРис. 14.4109Рассмотрим конструкцию термостатированного ПЗС с двухкаскадной ТЭБ.IIIИногда, если ∆Q → 0,5 Вт, а ∆T = 30–40 К,IIто однокаскадный ТЭО энергетически выIгоднее.ФПУ с автокомпенсацией от коэффициенРис. 14.5тов теплового расширения (КТР) конструкционных материалов представлено на рис.
14.6. ПЗС с двухкаскаднымиII 3 ′ AII 3 ′ AAТеплоотводРис. 14.6ТЭБ широко используются на телескопах. ПЗС – астроприемные ФПУ:Т = 130–150 К для любых ПЗС. С четырехкаскадным ТЭО достигаетсяТг.г = 20 °С; Тх.г = –90 °С (∆T ≈ 110 К). В них используются специальноотобранные ПЗС со скрытым каналом.Теплопритоки1T02Здесь ε = 0,15 Вт/I5 Вт ≈ 0,01 –хороший результат;34567T1Рис. 14.71108∑ Q ≈ 0,15Вт – как на крио-iгенном уровне.На рис.
14.7 представлена конструкция термостатированногоПЗС для бортового применения.На рис. 14.7: 1 – окно; 2 – ПЗСматрица; 3 – микропровод; 4 – на-ружные выводы; 5 – выводной металло-керамический держатель; 6 –двухкаскадная ТЭБ; 7 – герметичный корпус с Xe; 8 – радиатор длятеплоотвода горячей грани ТЭБ.Определим суммарный теплоприток к холодной грани ТЭБ:Qo = 0,35 Вт; ∆T = 70–75 К; Т1 = +35 °С; Тo = –(35–40) °С; попроводам – 40–45 шт.; l ≈ 5–6 мм; ∅ 30 мкм (Au, Al); k ≈ (1–2) Вт/см К;Qизлуч ≈ 0,5 Вт; Qконв Xe ≈ 0,2 BT; Qпров ≈ 0,08 Вт;∑ Qi ≈ 0,35 Вт.iВакуум сохранить в полости ТЭБ не удается.
Поэтому полость заполняют Xe высокой чистоты.В космосе ТЭБ могут конкурировать с РСО на –90 °С. Для этогонужно 15 Вт бортовой электроэнергии, но эти 15 Вт необходимо отвестина уровне +25 °С в космос, опять же через КРТ.В итоге система на –90 °С с ТЭБ и КРТ от горячей грани имеетзначительный проигрыш по массовому эквиваленту бортовой электроэнергии перед РСО.11115. ПРИМЕНЕНИЕ ОХЛАЖДАЕМЫХ МАТРИЧНЫХПРИЕМНИКОВ В АСТРОНОМИИБольшое распространение в астрономии получили криостатированные ФПУ на основе кремниевых ПЗС, чувствительных до ближнегоИК-диалазона ≤ 1,06 мкм и позволяющие вести наблюдения в В, V, R, Jдиапазонах МФС.За четыре года до появления в районе земной орбиты в Чили на4-метровом Паламарском телескопе США была зарегистрирована комета Галлея при времени накопления ≥ 20 мин на уровне 26 звезднойвеличины.
Среднеквадратичное значение шума в аппаратуре с использованием ПЗС фирмы "Texas Instruments" "TI 800×800" составило пятьэлектронов на выборку сигнала при охлаждении до температуры 80 К ичастоте выходного регистра 10 кГц. На телескопе ЗТ-6 с диаметромзеркала 2,6 м в Крымской обсерватории уже много лет используетсяспектральная аппаратура с охлаждаемыми до 80 К ПЗС-матрицами,переданная в дар Хельсинским университетом. ПЗС применяются в оптической астрономии с 1976 года.Криостатированное ФПУ с ПЗС-матрипей с числом элементов576–512 (с объемным каналом переноса зарядов и виртуальной фазой для увеличения спектральной чувствительности в синей области) при Т = 80 К показано на рис. 15.1.На рис. 15.1: 1 – фланец для стыковки с телескопом; 2 – входноеоптическое окно (кварц КИ, КВ); 3 – кольцевая печатная плата для соединения ПЗС с разъемом 11 (РСГС-32); 4 – ПЗС-матрица, наклееннаяна хладопровод; 5 – камера–хладопровод; 6 -контейнер с жидким азотом; 7 – парозаборник испаренного азота; 8 – вакуумный корпус криостата; 9 – заливной патрубок; 10 – металлопористая набивка; 11 – выходной разъем РСГС-32; 12 -вакуумный вентиль; 13 – крионасос с БАУ;14 – патрубок для выхода паров азота из камеры–хладопровода 5;15 – тепловой экран.Данная конструкция предназначена для работы входным окном внизили вбок.
Но если изогнуть парозаборник 7 в положение, показанное112пунктиром, то криостатное ФПУ может работать окном вверх при заткнутом заливном потрубке 9.912814765N2134103211115Рис. 15.1Предварительная откачка полости криостата ведется форвакуумныммеханическим или цеолитовым насосом, а после закрытия вентиля 12 изаливки N2 работает крионасос 13 на основе березового активированного угля (БАУ), поддерживая в полости вакуум не хуже (0,5–1)⋅10–4 Торр.ТТФЭП, или ИК-ПЗСИК-модуль, аналогичный приведенному на рис.
12.4, с числом элементов 256×256, был установлен в лабораторный азотный криостат и охлаждался парами азота до 77,4 К. Конструкция ФПУ с числом элементов256×256, чувствительного в К- и L-диапазонах МФС ∆λ = (1,7–5,0) мкм.Телевизионную систему на базе этого ФПУ назвали "ТВАРК" (Телевизионный астрофизический регистрирующий комплекс). "ТВАРК" былсмонтирован в фокусе Кассегрена 0,7-метрового телескопаАЗТ-2 ГАО АН УССР в Киеве совместно с лабораторией украинскогоастрофизика Л. М. Шульмана.
Первые же наблюдения показали возможность регистрации ИК-звезд с достаточно высокой чувствительностью.113Так как ночное небо в короткоми среднем ИК-диапазонах3фона практически не создает, тоосновной фон создавался задним6неохлаждаемымотрезком ОС2телескопа.1Легко показать, что при работе в K- и L-диапазонах охлажРис. 15.2дение ОС не обязательно.Теоретически, если принять η = 1, то для АЗТ-2 NEPk = 1,5⋅10–15 Вт⋅Гц–1/2,а экспериментально измеренный пороговый поток Рпор = 5⋅10–16 Вт/элементпри Eф ≤ 5⋅10–10 Вт⋅ см2, η = 0,01 в полосе K.
Так как F АЗТ-2 = 10,5 м, тоего выходной апертурный уголPпор, Вт/элемент1⋅10 –13очень мал. Это позволило намтак заблендировать охлаждае4⋅10–14мыйфильтр, что E ф удалось снизить на 2–3 порядка величины(рис. 15.2).1⋅10 –14Eф, Вт/см2На рис. 15.2: 1 – установочный–5–7–71⋅105⋅101⋅10 –6 1⋅10фланец;2 – входное окно (лейкоРис. 15.3сапфир); 3 – охлаждаемая бленда;4 – вакуумно-плотное при Т = 77,4 Кσш.к, Аоптическое окно (лейкосапфир); 5 –1⋅10 –95⋅10–10германий ГМО-1; 6 – ИК ТТФЭП.Криостат работал окном вверх.3⋅10–102⋅10–10σшk = 0,05 нА; ϕk = 5⋅104 А/Вт.1⋅10–10На рис.
15.3 представлена заEф, Вт/см2–12–9–7–11–10–8висимостьпорогового потока Рпор1⋅10 1⋅10 1⋅10 1⋅10 1⋅10 1⋅10наэлементматрицы в зависимоРис. 15.4сти от облученности фоном. Этотфон создает неохлаждаемый задний отрезок объектива и входная апер45тура ФПУ. При этом P ∼ Eф ; Е ф= 5⋅10 –7 Вт/см 2Pпор =114hcλ maxNф2ηmaxSэл, Вт/элемент.ηmaxTНИтак, окончательно для телескопа АЗТ-2 ГАО АН УССР с F = 10,5 м;D = 70 см; d = 20 см: эквивалентная мощность шумов в полосе KNEP2,7 ≈ 3⋅10–14 Вт⋅Гц–1/2 при Еф = 1⋅10–7 Вт/см2.Если снизить фон до 5⋅10 –10 Вт/см NEP K = 1,5⋅10 –15 Вт⋅Гц –1/2 .При этом коэффициент фотоэлектрического усиления ТТФЭП ϕk == 5⋅104 А/Вт; σшk = 0,05 нА.На рис. 15.4 представлена зависимость σшk , от плотности мощностифона Еф.Таким образом, NEPэкспер = 1,5⋅10–15 Вт⋅Гц–1/2; σшk =5⋅10–11 А.Однако дальнейшие исследования с использованием "ТВАРК" былипрекращены из-за отсутствия финансирования.115ЗАКЛЮЧЕНИЕИтак, читатели познакомились с общими вопросами физики инфракрасного излучения, прохождения излучения через атмосферу, принципами построения линейных и матричных приемников изображения аэрокосмического базирования как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах спектра излучения.Кроме того, рассмотрены вопросы экспериментальной техники низких температур при исследовании приемников излучения и основы техники их криостатирования в составе бортовой аппаратуры .Таким образом, студенты, изучившие данный курс, могут считатьсебя готовыми для практической работы с аэрокосмическими приемниками изображения.116Библиографический список1.
Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронныхприборов. Л.: Машиностроение, 1977. 600 с.2. Хадсон Р. Инфракрасные системы. М.: Мир, 1972. 536 с.3. Ллойд Дж. Системы тепловидения. М.: Мир. 1978. 416 с.4. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. М.: Мир,1978.
322 с.5. Грезин А. К., Зиновьев B. C. Микрокриогенная техника. М.: Машиностроение, 1978. 400 с.6. Шпольский Э. В. Атомная физика. М.: Физматгид, 1963. T. 1. 552 с.7. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Физматгиз,1963. 696 с.8. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. М.: Наука,1964. 568 с.9. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. . Теория поля. М.: Физматгиз, 1960.400 с.10. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика М.: Физматгиз, 1963. 704 с.11. Фотоприемники видимого и ИК-диапазонов / Под ред.
Р. Дж. Киеса. М.: Радио и связь, 1985. 328.12. Криксунов Л. З. Справочник по основам инфракрасной техники.М.: Сов.радио 1978. 400 с.13. Инфракрасные методы в космических исследованиях / Под ред.В. Манно и Дж. Ринга. М.: Мир. 1977. 384 с.14. Кириллин В.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
