紅外探測(cè)器杜瓦組件測(cè)試用液氮水平制冷裝置及設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及紅外探測(cè)器制造技術(shù)和低溫與制冷技術(shù)，具體指一種紅外探測(cè)器杜瓦 組件測(cè)試用液氮水平制冷裝置，它適用于紅外探測(cè)器杜瓦組件的光譜測(cè)試和電性能測(cè)試， 適用于在系統(tǒng)光學(xué)校正時(shí)對(duì)紅外探測(cè)器杜瓦組件進(jìn)行制冷，也適用于其它需要液氮水平制 冷的場(chǎng)合。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外探測(cè)器組件制備技術(shù)在航天、航空紅外領(lǐng)域有著重要意義。隨著波長(zhǎng)向長(zhǎng)波 擴(kuò)展和探測(cè)靈敏度的提高，紅外探測(cè)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(cè) 器在應(yīng)用中大多采用機(jī)械制冷方式。這樣也使得其應(yīng)用時(shí)大多采用杜瓦封裝形成紅外探測(cè) 器杜瓦組件。
[0003] 光譜測(cè)試和電性能測(cè)試是紅外探測(cè)器杜瓦組件研制過(guò)程中重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的紅外 探測(cè)器杜瓦組件光譜測(cè)試一般有兩種方法。方法一為紅外探測(cè)器芯片成型后在液氮側(cè)照杜 瓦內(nèi)進(jìn)行光譜測(cè)試，封裝成紅外探測(cè)器杜瓦組件一般不進(jìn)行光譜測(cè)試。紅外探測(cè)器杜瓦組 件的光譜測(cè)試一般采用紅外探測(cè)器芯片光譜與濾光片光譜疊加擬合而成；方法二為紅外探 測(cè)器杜瓦組件耦合制冷機(jī)后進(jìn)行光譜測(cè)試；上述兩種方法存在如下不足，方法一是間隔獲 得光譜響應(yīng)曲線。方法二對(duì)于紅外探測(cè)器杜瓦耦合小型制冷機(jī)（如曲柄連桿式）在光譜測(cè) 試時(shí)可以操作，對(duì)紅外探測(cè)器杜瓦組件耦合輪廓尺寸比較大的制冷機(jī)（比如牛津型長(zhǎng)壽命 制冷機(jī)），由于現(xiàn)有的光譜儀測(cè)試平臺(tái)的尺寸限制，無(wú)法進(jìn)行光譜測(cè)試。紅外探測(cè)器杜瓦組 件的電性能測(cè)試一般是將面源黑體安裝在紅外探測(cè)器杜瓦組件下方，將紅外探測(cè)器杜瓦組 件窗口向下，確保紅外探測(cè)器水平且面向下。利用紅外探測(cè)器杜瓦組件支撐芯柱的容腔注 入液氮進(jìn)行制冷，此方法的不足為液氮的存儲(chǔ)量較小，需要在測(cè)試過(guò)程中追加液氮。紅外探 測(cè)器杜瓦組件在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)多為水平放置，傳統(tǒng)的液氮直接制冷無(wú)法實(shí)現(xiàn)，大多需要耦合 制冷機(jī)后進(jìn)行系統(tǒng)光學(xué)校正。為了減小制冷機(jī)壓縮機(jī)振動(dòng)對(duì)一系統(tǒng)焦面的影響，制冷機(jī)的 壓縮機(jī)和膨脹機(jī)或脈管的支撐采用不共面設(shè)計(jì)，兩者之間采用金屬連管連接，在進(jìn)行系統(tǒng) 光學(xué)校正時(shí)，當(dāng)光校量超過(guò)了金屬連管的柔性余量后，就必須兩面一起調(diào)整，這增加系統(tǒng)光 校的復(fù)雜程度。隨著探測(cè)器規(guī)模不斷增加和探測(cè)器與低溫光學(xué)集成度的提高，紅外探測(cè)器 杜瓦組件外型尺寸此問(wèn)題更加突出。針對(duì)紅外探測(cè)器杜瓦組件光譜測(cè)試、電性能測(cè)試和系 統(tǒng)光校出現(xiàn)的上述問(wèn)題，必須要探索一種新方法來(lái)解決它們。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種紅外探測(cè)器杜瓦組件測(cè)試用液氮水平制冷裝置，它適用 于分置式紅外探測(cè)器杜瓦組件的過(guò)程性能測(cè)試，也適用于集成式紅外探測(cè)器杜瓦組件的過(guò) 程性能測(cè)試。本發(fā)明解決水平放置紅外探測(cè)器杜瓦組件光譜測(cè)試、電性能測(cè)試和系統(tǒng)光學(xué) 校正時(shí)需要液氮制冷的問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明一種紅外探測(cè)器杜瓦組件測(cè)試用液氮水平制冷裝置如附圖1所示，包括液 氮腔體壁1、液氮腔底2、上蓋3、真空保持罩4、壓緊螺母5、杜瓦組件安裝法蘭6、抽氣閥座 7、抽氣閥塞8、外殼9、冷指10、輸液管11、尾氣管12、熱耦合器13、液氮堵頭14、尾氣管座 15、液氮流量調(diào)節(jié)桿16、定桿座17、導(dǎo)氣底座18。
[0006] 液氮腔體壁1、液氮腔底2、上蓋3、壓緊螺母5、杜瓦組件安裝法蘭6、抽氣閥座7、 抽氣閥塞8、外殼9、冷指10均選用不銹鋼材料。
[0007] 輸液管11和尾氣管12為薄壁管，材料選用銅管或不銹鋼。
[0008] 液氮堵頭14、尾氣管座15、定桿座17和導(dǎo)氣底座18選用不銹鋼材料。
[0009] 所述的液氮腔體壁1下端為液氮腔底2,液氮腔體壁1與液氮腔底2外部為真空保 持罩4,在真空保持罩4外部為外殼9 ;外殼9頂部為上蓋3,上蓋3上部為定桿座17,定桿 座17下部為液氮流量調(diào)節(jié)桿16,外殼底端為尾氣座15,外殼頂部一側(cè)為抽氣閥座7,抽氣閥 座7內(nèi)為抽氣閥塞8,外殼底部一側(cè)為法蘭6 ;法蘭6后部為外殼9,法蘭6前部為冷指10， 冷指10前部為耦合器13,耦合器13后部并在冷指10內(nèi)部為輸液管11及尾氣管12 ;輸液 管11 一端與液氮腔底2相連另一端與親合器13相連；尾氣管12 -端與親合器13相連另 一端與尾氣座15相連；尾氣座15下部為底座18。
[0010] 所述的液氮腔體壁1下端面與液氮腔底2的外圓周面焊接密封，液氮腔體壁1上 端面與上蓋3的內(nèi)圓周面焊接密封，真空保持罩4套通過(guò)壓緊螺母5固定在液氮腔體壁1外 圓周上；將抽氣閥座7和法蘭6與外殼9焊接密封，外殼9與上蓋3的外圓周面焊接密封； 將輸液管11、尾氣管12、熱耦合器13及冷指10組裝好后釬焊密封；將冷指10與法蘭6焊 接密封，再將輸液管11與液氮腔底2通過(guò)低溫膠密封，將液氮堵頭14與液氮腔底4通過(guò)低 溫膠密封；將尾氣管12與尾氣管座15用低溫膠密封，然后將尾氣座15與外殼9焊接密封； 將帶有液氮流量調(diào)節(jié)桿16的定桿座17通過(guò)螺釘固定在上蓋3上，最后將底座18安裝到外 殼9上。
[0011] 所述的液氮腔體壁1原材料需探傷，機(jī)加工成薄壁階梯軸圓桶，桶的厚度為 0. 15mm_0. 2mm。在桶底米用局部加厚，厚度為0. 3mm_0. 5mm,長(zhǎng)度為25mm-60mm。
[0012] 所述的液氮腔底2如附圖2所示。其上部加工成導(dǎo)液錐槽201，其半錐角選擇為 15° -30°，其中孔的中部外圓加工外螺紋202,在外螺紋202下面的外圓周側(cè)面加工為光 孔203,底面加工沉頭底孔204。
[0013] 所述的真空保持罩如附圖3所示，由罩上蓋401、圓形網(wǎng)402、罩上墊塊403、罩桶 404、活性碳405、罩下墊塊406組成。罩上蓋401、罩上墊塊403、罩桶404底面和罩下墊塊 406相對(duì)應(yīng)的位置開(kāi)數(shù)量相等圓形出氣孔，這些零件均選用材料密度輕的鋁合金，圓形網(wǎng) 402選用銅網(wǎng)或不銹鋼網(wǎng)，防止活性碳405滲透。其各墊一塊于罩上蓋401和罩上墊塊403、 罩桶404和罩下墊塊406之間。
[0014] 所述的法蘭6如圖4所示，由外接法蘭601和杜瓦組件安裝法蘭602組成，先將外 接法蘭601和抽氣閥7通過(guò)釬焊或氬弧焊安裝在外殼9上。再通過(guò)氬弧焊或激光焊將杜瓦 組件安裝法蘭602安裝在外接法蘭601上。
[0015] 所述的輸液管11和尾氣管12為薄壁管，壁厚0· 5mm-lmm，直徑選用lmm-3mm，可 以手工彎曲。
[0016] 所述的熱耦合器13如圖5所示，由輸液管固定座1301、熱耦合器座1302、軸向壓 力彈簧1303和冷帽1304組成，除軸向壓力彈簧1303外均選用無(wú)氧銅或紫銅材料。軸向壓 力彈簧1303選用彈簧鋼。輸液管固定座1301開(kāi)兩圓孔，先將輸液管固定座1301塞入熱耦 合器座1302內(nèi)，然后分別尾氣管12插入輸液管固定座1301的上孔，輸液管11插入輸液管 固定座1301的下孔，輸入熱耦合器13內(nèi)換熱腔的長(zhǎng)度為尾氣管12比輸液管11長(zhǎng)，在相應(yīng) 接口縫隙處涂上鐵鎳合金焊料，再將冷指10套到熱耦合器座1302的外圓上，在接口縫隙處 涂上鐵銀合金焊料，最后一起送到尚溫針焊爐中完成焊接。
[0017] 所述的液氮流量調(diào)節(jié)桿16如圖6所示，由防堵流量調(diào)節(jié)針錐1601、插銷1602、過(guò) 渡塊1603、拉桿1604和調(diào)節(jié)螺釘1605組成。防堵流量調(diào)節(jié)針錐1601材料選用不銹鋼，下 面外圓周開(kāi)有矩形槽，其半錐角度選擇12° -15°，與液氮腔底2上導(dǎo)液錐槽201采用間隙 配合。在使用中，隨著液氮液面下降，空氣進(jìn)入液氮腔體壁1，其中水蒸氣遇冷凝結(jié)結(jié)冰，冰 會(huì)沉積在液氮腔底部，采用倒錐形的防堵口使得液氮經(jīng)過(guò)回流繼續(xù)流下，冰在底部附著，不 會(huì)影響到液氮的正常流動(dòng)。防堵流量調(diào)節(jié)針錐上部與過(guò)渡塊之間通過(guò)銷釘連接；拉桿選用 環(huán)氧棒材料，其與上下連接采用低溫膠膠接。調(diào)節(jié)旋鈕螺釘下部加工有螺旋測(cè)微螺紋，與定 桿座17螺紋連接。
[0018] 本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如