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        紅外探測器制冷方式

        [2021/7/1]

          大多數光子紅外探測器只有在低溫下才有較高的信噪比和探測率、較長的響應波長和較短的響應時間,因此,介紹一下各類制冷器的原理和適用范圍是十分必要的。從原理上將,制冷器有以下種類:

          1、利用相變原理

          把致冷劑(如液態空氣、液氮、固體甲烷、固體氬和干冰等)裝在絕熱良好的杜瓦瓶中,當有熱負載時,致冷劑由液相變為氣相或由固相升華為氣相而排掉。利用這種原理制成的致冷器有杜瓦瓶和固體致冷器。液氮杜瓦瓶可將紅外探測器致冷至77k。在這類致冷器中,不再收集并重新利用自負載吸收熱量后的致冷劑。

          2、利用高壓氣體節流效應

          根據焦耳-湯姆遜效應,當高壓氣體低于本身的轉換溫度并通過一個很小的孔節流膨脹變成低壓時,節流后的氣體就產生溫度降。低壓回氣經逆流式熱交換器,預冷進來的氣體,知道氣體離開節流閥被液化時為止。節流致冷工作原理如下圖:

        節流致冷工作原理圖

          節流式致冷器也稱焦耳-湯姆遜致冷器,分開循環和閉循環兩種。開式是由高壓鋼瓶進氣,并把回氣放空。閉式是由壓縮機供給高壓進氣,低壓回氣再送至壓縮機形成閉合系統。開式只適合短時間使用,如導引頭紅外探測器致冷。

          節流式致冷器可以是一級的(使用一種氣體),也可以是雙級的(使用兩種氣體)。用室溫氮氣作工質的一級節流致冷器可達77K低溫。用第一級氮氣節流后的冷量冷卻第二級的進氣-氖氣的雙級節流致冷器可達30K低溫。

          3、利用輻射熱交換來致冷

          這是紅外探測器應用于宇宙空間這個特殊環境所形成的一種致冷方法。在太空環境下,一個熱物體可以同3K左右的深冷空間進行輻射熱交換而使熱物體逐漸冷卻。輻射致冷器使一種被動式的致冷器,它不需要外加能源,無運動部件,壽命長、功耗小。輻射致冷器的致冷量較小,約為10-100毫瓦,一級輻射致冷器只能達到100K以上溫度。輻射致冷器的熱負荷中,紅外探測器的熱負荷只占1/10,其余為光、機、電的熱負荷,因此減少光、機、電的熱負荷十分重要。另外,設計輻射致冷器時,既要冷片的熱量輻射到太空中去,又要防止太陽、地球等熱源進入輻射致冷器的現場。

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