一种用于红外探测器杜瓦的宝石冷链导热结构及实现方法

本发明公开了一种用于红外探测器杜瓦的宝石冷链导热结构及实现方法，属于红外探测器的低温封装技术，适用于冷光学用冷箱内全低温杜瓦组件的热传输通道，也可适用于其它用途的红外探测器封装组件的传热零件。

背景技术：

1、红外探测器组件杜瓦作为红外探测器的主要封装形式，在空间天文、对地观测、资源环境等领域有广泛的应用。目前，由于红外探测器波长的扩展和探测灵敏度的提高，红外探测器的工作温度有着更为苛刻的要求，机械制冷目前依然是低温以及深低温工作条件下红外探测器的主要制冷方式。

2、随着空间红外探测技术的发展，对高分辨率和高灵敏度探测系统的需求越来越迫切。当红外器件性能达到探测背景限的情况下，其背景辐射主要来自仪器本身的光学系统及其支撑结构等，其带来的不利影响主要包括两个方面：第一，光学系统的光学、机械部件产生的杂散辐射会降低系统的信噪比和对比度，尤其是在目标信号十分微弱的太空环境中，影响更加明显。第二，对于宽视场的高灵敏红外光学系统，由于仪器视场角大，f数很小时，必须在靠近探测器位置封装部分冷光学透镜，否则整个光机系统会非常庞大且复杂。若要进一步提高红外系统的探测能力，采用低温制冷技术对红外光学组部件进行降温，减小探测系统的背景光子通量、降低其背景热噪声是提高探测灵敏度的最有效措施之一。因而产生了冷光学的探测器冷箱或杜瓦的封装结构形式。例如美国geos-r卫星的先进垂直探测仪abs(后来改名为hes-高光谱环境探测仪)。其内部有短波、中波和长波的红外探测器，规格为48×22元探测器光敏元大小为58μm，它们的截止波长分别为4.7μm，8.5μm，15.1μm。探测器工作温度都为65k，其封装形式为采用冷链方式冷量传输的冷箱设计实现短波、中波、长波探测器的封装。冷箱及冷光学的工作温度200k，国内“风云四号”干涉式大气垂直探测仪(giirs)实现了4.44μm～14.6μm波段的红外傅里叶变换光谱测量，光谱分辨率为0.625cm-1，其瞬时视场为7.9°，探测器整个视场角(fov)为108°×108°，其杜瓦组件除了中长波探测器外还封装有4块透镜、温度在90k以下，而仪器内的后继光路安装有2块透镜和1块反射镜和1块半透半反镜子，4块光学镜子工作在200k。不管是冷箱还是杜瓦都涉及到制冷机与探测器之间的冷链传输问题。目前其冷链一般都采用柔性的冷链加刚性支撑冷链连接方式进行连接，这样既能保证高效传热，又能克服低温的收缩带来的应力。柔性冷链低温下突出柔的特点而刚性冷链需要尽量高的热导率，以到达减低传热温差的目的。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种用于红外探测器杜瓦的宝石冷链导热结构及实现方法，来解决红外探测器和制冷机柔性冷链冷端在低温下高效传热问题，通过本发明提供的宝石冷链实现杜瓦组件在冷箱内直接耦合安装，极大简化设计与操作工艺，同时通过扭力控制宝石冷链与冷平台耦合力，提高探测器低温下可靠性。

2、本发明的一种用于红外探测器杜瓦的宝石冷链导热结构，包括冷平台100、冷帽201、宝石棒202、弹性冷链过渡块203。

3、所述的宝石冷链200与冷平台100用螺纹连接。

4、所述的冷平台100材料为因瓦或钼，冷平台100上加工有螺纹孔。

5、所述的冷帽201材料为可伐，冷帽201中心为通孔，并且在一端加工出一个可用于在冷帽201和宝石棒202钎焊的钎料预留槽，与冷平台配合的连接螺纹钎焊后二次加工完成；

6、所述的宝石棒202材料为蓝宝石，宝石棒202所有表面抛光，宝石棒202两端根据冷帽201和弹性冷链过渡块203的装配高度做金属化处理，金属化后电镀镍，镀镍厚度4-5μm，金属化层总厚度小于0.15mm，金属化层和镀层需要满足850℃钎焊要求；

7、所述的弹性冷链过渡块203材料为可伐、无氧铜或钼；弹性冷链过渡块203中心为沉孔，同样加工出一个可用于和宝石棒202钎焊的钎料预留槽，且弹性冷链过渡块203在厚度和底面积上预留了可精修的余量。

8、一种用于红外探测器杜瓦的宝石冷链导热结构的实现方法，其工艺方法如下：

9、1)对宝石棒202进行均匀金属化、镀镍处理；

10、2)对与宝石棒202配合的冷帽201和弹性冷链过渡块203孔径进行精修

11、3)对冷平台100、冷帽201、宝石棒202、弹性冷链过渡块203钎焊面进行酸洗、去离子水超声清洗处理等；

12、4)用银铜钎料填充在冷帽201与宝石棒202之间和弹性冷链过渡块203与宝石棒202之间，用专用钎焊夹具202支撑装夹，通过真空钎焊完成宝石冷链200的成型；

13、5)对真空钎焊后的宝石冷链200进行液氮冲击；

14、6)对宝石冷链200上冷帽201车修螺纹、精修弹性冷链过渡块203；

15、7)对精修后的宝石冷链200进行多步超声清洗，去除加工残留的油污；

16、8)将清洗后的宝石冷链200与冷平台100配合安装。

17、上述步骤4)中专用钎焊夹具300用来保证冷帽201与宝石棒202之间和弹性冷链过渡块203与宝石棒202之间真空钎焊的同时进行，且保证宝石棒202与冷帽201钎焊的一端所在端面高出冷帽201端面；专用钎焊夹具300由两部分组成：用于冷帽201与宝石冷链200之间进行精确定位的冷帽支撑301和可用来装填钎料的钎焊支撑302；冷帽支撑301为石墨材料，钎焊支撑302选用不锈钢材料。专用钎焊夹具300支撑装夹完成放置高温炉中，当真空度优于5×10-3pa开始进行钎焊加热，为确保钎焊件受热充分均匀，需设置合适的升降温曲线，设置的升降温程序为：20℃～600℃，升温速率为20℃/min，保温10min，600℃～800℃，升温速率为10℃/min，保温时间5min，800℃～810℃，升温速率为10℃/min，保温时间10min。加热完成后，降温程序为：810℃～500℃，降温速率10℃/min，500℃～300℃，降温速率20℃/min，之后工件随炉冷却。

18、上述步骤6)中宝石冷链200上冷帽201车修螺纹需与冷平台100的螺纹配合；根据使用需要的平面度、平行度以及底面所需接触面积对弹性冷链过渡块203进行精修处理；

19、步骤8)中，宝石冷链200与冷平台100配合安装时，需要在宝石冷链200与冷平台100接触面之间加铟片以提高热耦合效率，同时避免了宝石冷链200和冷平台100之间刚性接触而增加探测器额外应力。

20、本发明具有以下优点：

21、(1)宝石冷链结构简单，集成度高，互换性好；

22、(2)宝石棒具有低温下高热导率，可有效降低弹性冷链过渡块到冷平台之间的温度差，从而提高制冷机冷量传输效率；

23、(3)本发明解决了红外探测器和制冷机柔性冷链冷端在低温下高效传热问题。

24、(4)通过扭力控制宝石冷链与冷平台耦合力，提高了探测器低温下可靠性。

技术特征：

1.一种用于红外探测器杜瓦的宝石冷链导热结构，包括冷平台(100)、冷帽(201)、宝石棒(202)、弹性冷链过渡块(203)，其特征在于：

2.一种用于红外探测器杜瓦的宝石冷链导热结构的实现方法，其特征在于方法如下：

3.根据权利要求2所述的一种用于红外探测器组件杜瓦的宝石冷链导热结构的实现方法，其特征在于，步骤4)中专用钎焊夹具(300)用来保证冷帽(201)与宝石棒(202)之间和弹性冷链过渡块(203)与宝石棒(202)之间真空钎焊的同时进行，且保证宝石棒(202)与冷帽(201)钎焊的一端所在端面高出冷帽(201)端面；专用钎焊夹具(300)由两部分组成：用于冷帽(201)与宝石冷链(200)之间进行精确定位的冷帽支撑(301)和可用来装填钎料的钎焊支撑(302)；冷帽支撑(301)为石墨材料，钎焊支撑(302)选用不锈钢材料。专用钎焊夹具(300)支撑装夹完成后放置高温炉中，当真空度优于5×10-3pa开始钎焊加热，设定温度控制程序进行钎焊，钎焊流点温度设定为810±5℃。

4.根据权利要求2所述的一种用于红外探测器组件杜瓦的宝石冷链导热结构的实现方法，其特征在于，步骤6)中宝石冷链(200)上冷帽(201)车修螺纹需与冷平台(100)的螺纹配合；根据使用需要的平面度、平行度以及底面所需接触面积对弹性冷链过渡块(203)进行精修处理。

5.根据权利要求2所述的一种用于红外探测器组件杜瓦的宝石冷链导热结构的实现方法，其特征在于，步骤8)中，宝石冷链(200)与冷平台配合安装时，需要在宝石冷链(200)与冷平台(100)接触面之间加铟片以提高热耦合效率，同时避免了宝石冷链(200)和冷平台(100)之间刚性接触而增加探测器额外应力。

技术总结
本发明公开了一种用于红外探测器杜瓦的宝石冷链导热结构及实现方法，包括冷平台、冷帽、宝石棒、弹性冷链过渡块。冷帽、宝石棒和弹性冷链过渡块用专用钎焊夹具支撑装夹，然后采用真空钎焊的方式形成宝石冷链，宝石冷链与冷平台采用螺纹连接。该结构中，冷平台材料为因瓦或钼，冷帽选用可伐材料，弹性冷链过渡块材料为可伐、无氧铜或钼。本发明所述的宝石冷链能有效减小制冷机与冷平台之间的传输热阻，提高制冷机与冷平台之间的传热效率。本发明结构简单，操作方便，互换性好，制冷机冷量利用率高。

技术研发人员：张启,曾智江,俞君,李俊,王小坤,王煜宇,徐勤飞,李雪
受保护的技术使用者：中国科学院上海技术物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12