一种探测器气冷测试装置

本发明涉及一种冷却测试装置，尤其涉及一种用气体冷却探测器的冷却测量装置，属于气冷测试技术领域。

背景技术：

高空间分辨率的硅像素探测器技术在材料科学、生物化学、航天航空与高能物理等领域发挥着越来越重要的作用。硅像素探测器由于其优异的探测和位置分辨性能，可应用于高精度的成像、下一代高能物理大装置的粒子径迹重建等。尤其是高能物理大装置的粒子径迹重建上，比如高能环形正负电子对撞机，其顶点探测器初步规划方案即采用多个探测器模块通过相互叠加，布置成多个直径不同的桶装结构，这些探测器模块共同作用实现径迹测量，达到顶点探测目的。每个探测器模块由支撑结构、电路板、探测器芯片组成，探测器模块上的探测器芯片相对支撑结构可以是单面安装或双面安装。探测芯片正常工作状态的发热功率一般在100-200mw/cm²之间，未来预期可控在50mw/cm²以内，对探测器模块的冷却，相比液体冷却，采用气体冷却具有最明显的低物质量优势，减低物质引起的多次散射效应，可以保持高探测精度，更适合下一代对撞机的要求。因此，未来顶点探测器的冷却方式趋向是采用气体冷却方案。顶点探测器模块通常为条状结构，虽然探测总面积不大，但其宽度窄、长度相对较长，最主要的是由于探测器的结构限制，流经探测器的冷却气流无论是采用哪种气道(比如总体平直的气道或是螺旋式的)，总体上一般只能从探测器的一侧流向另一侧。这就会引起探测器模块在靠近冷却气体入口的上游部位，其上的探测芯片的冷却效果好，而靠近冷却气体出口的下游部位，由于上游气流带来的热量影响，其上的冷却芯片冷却效果差，即沿冷却气流方向，探测器芯片产生温度梯度。硅像素探测器的探测精度对温度比较敏感，随着温度的升高，漏电流增加，探测器噪声相应增加，导致探测精度降低；如果温度过高，会导致探测器损坏。故对探测器模块的冷却控制目标一方面是控制各部位的芯片温度冷却到适合的工作温度，另一方面，要尽量减少沿探测器模块纵向芯片的温度梯度，以减少不同区域的受温度梯度引起的探测精度差异。

对于类似顶点探测器的高分辨像素探测器，对探测器的气冷系统进行冷却测试是非常关键的一项工作。根据探测器在不同流量、气流状态下的冷却效果研究，可以评估并制定最优的冷却方案；同时根据测试结果可以指导探测器自身结构设计及总体支撑结构设计。目前市面上没有对此类风冷探测器进行冷却测试的装置或类似装置可用。

技术实现要素：

针对类似硅(顶点)径迹探测器模块的气冷测试，本发明的目的在于提出一种探测器气冷测试装置。本发明的气冷测试装置可对单个探测器(整体探测器的模块)提供不同的气流状态下的冷却测试环境，并对不同环境下探测器冷却效果进行测量，以研究得出较优的探测器气冷方案，总结出包含各部分气流调节装置的合理参数，指导探测器在气冷下既可以实现好的冷却效果，又控制沿气流方向均匀的温度或较小的梯度，保证探测精度。该发明的测试结果还可以检验和指导探测器模块及探测器整体的结构设计。

本发明中的单个探测器气冷测试装置，是一个具有对上游气体预冷却，对气体流量、入口导流、气道内扰流、出气口开度等进行调节功能的测试装置，同时可以采用非接触式或接触式方式或者二者结合的方式对探测器进行温度测量。适用于强迫气冷的探测器，尤其是纵向长度较长、横向尺寸相对较小且探测器气冷下的温度及梯度要求严格控制的情况。探测模块可在其支撑结构的单面或双面安装探测芯片，通过该装置的相关气流调节功能，获得不同流量、流态的气体环境，并通过监测探测器表面温度，测得不同状态下的冷却效果，可总结评判出对既定探测器的优化气冷配置方案，做到既要冷却效果好，又要温升梯度小。

本发明的技术方案为：

一种超轻梁的振幅测量装置，其特征在于，该装置包括上游的气体降温装置1，流量控制器2，可调导流装置3，冷却腔4，探测器5和上游隔热支架51、下游隔热支架52，可调扰流装置6，出口开度调节装置7，测温探头8(可以是非接触式测温仪81，如红外测温仪，也可以是接触式探头82，如安装在探测器5上的热偶式传感器)。探测器的信号线和电源线以及接触式测温传感器的线路沿下游的出口引出。

本装置中设有对入口和出口气体温度的监测探头，一方面是为了能够掌握冷却气体的实际温度，另一方面此参数用于后期的系统计算复合。实施可以采用在冷却腔的入口区域和冷却腔的出口区域悬空安装热偶传感器测得气体温度。

从气源过来的气体，首先经气体降温装置1降温，该装置由冷却腔及冷却介质(可为如干冰或冰水混合物等降温介质)和其内为了增加热交换区域而沿曲折走向布置的气管组成，然后经流量控制器2调节流量，之后进入可调导流装置3，然后进入冷却腔通道。

进一步的，可调导流装置3由进气腔31和若干导流插件32组成。

可调导流装置3通过调整导流插件的数量和插入深度、方向等，调节导流效果，尽量让气体通过进气腔后能够流速均匀地(可按需调节如横向有差异地)流入冷却腔内。

冷却腔4由冷却腔上盖41和冷却腔底板42组成，腔内设有隔热支架，探测器5通过两端的隔热支架51、52安装在冷却腔通道内，采用隔热材料的支架或采用非隔热支架并在其和探测器5之间加隔热垫片进行隔热，避免热传导对气冷效果的测量产生影响。

进一步的探测器5在冷却腔内的方位纵向沿冷却腔轴线方向，横向可水平或竖直放置。

进一步的，冷却腔通道截面尺寸具有优先性，在进气腔与冷却腔对接处，进气腔的截面应与冷却腔通道壳内面相匹配，过渡平顺。

气体经可调导流装置3进入冷却腔通道，气流在冷却腔4内经由可调扰流装置6的调节在探测器5附近的气流通道的截面尺寸发生改变，气体流向和速度都发生变化。

进一步的，可调扰流装置6可以由多个不同规格的扰流块组成，扰流块形成从冷却腔壁向探测器方向的凸起结构，不同规格的扰流块高度不同，通过不同高度的扰流块来调节凸起高度实现扰流作用；扰流块的安装位置可以沿着探测器纵向按需求以单点或多点形式布置在冷却腔内壁上。可调扰流装置6也可以是插入式扰流块，从冷却腔4的外侧插入内部形成朝向探测器5的凸起，通过其插入深度即凸起高度的调接实现扰流调节；插入式扰流块的安装位置可以为沿探测器纵向按需求以单点或多点形式布置在冷却腔4的内壁上。通过在探测器附近位置布置并调整扰流块来调节探测器5附近的通气间隙实现扰流。根据伯努利方程，探测器外围的通气间隙的调整会引起气流速度和方向的变化，渐变的扰流块高度将产生渐变的通气间隙，进而获得渐变的气流速度，产生渐变的冷却效果。多点布置的扰流块，沿气流方向高度应越来越高，即通气间隙逐渐变小，气流速度逐渐增加，以降低温度梯度。扰流块宽度与冷却腔的截面宽度尽量接近，减少气流在侧向间隙的分流。扰流块的高度方向垂直于探测器平面方向。

进一步的，可调扰流装置6还可以由冷却腔4内安装扰流板61来实现，扰流板61可以是直板或者带弯曲弧度的板。扰流板61两端被支撑固定在两个支架611上，两个支架采用插入式安装在冷却腔4的腔壁上。两个支架中可一个或两个都能进行高度调节，优点是实现在腔外的无干涉调节，避免拆开冷却腔才能调节的情况。扰流板一端与支架为铰接支撑方式，另一端与支架间是铰接+滑动的支撑方式，即结构上，扰流板与支架铰接一侧，二者之间为轴与孔的对接；在扰流板与支架为铰接+滑动支撑的一侧，二者之间为轴与长槽孔的对接。该扰流板的支撑结构的优点是在对扰流板的调节过程中对于在支撑节点处扰流板相对支架产生的位移具有自适应调节的功能。该扰流板支撑结构通过调节一侧支架611在冷却腔的插入高度，可以调整扰流板相对于探测器平面的倾斜角度，也可通过同调节两个支架插入高度保持扰流板角度一定而调节其与探测器间的距离。通过扰流板位置和角度的调节进而获得渐变的间隙，进而获得渐变的风速。扰流板相对探测器平面的倾角，其开口方向应该朝向气流入口一侧，即沿探测器纵向，探测器和扰流板间的气流间隙沿气流方向收窄，以降低温度梯度。可以根据探测器5上探测芯片的安装是单面或双面，相应地在冷却腔内相对探测器的一侧或双侧安装扰流板。扰流板宽度与冷却腔的截面宽度尽量接近，扰流板在气流上游端尽量贴近冷却腔壁，减少气流在侧向和前端间隙的分流，扰流板平面对着探测器平面方向。

气体经可调扰流装置6的进一步调节，获得了沿探测器纵向的不同流速，最后经出口开度调节装置7流出，通过调节出口开度，进一步改变冷却腔内的气体流态，获得复杂流态下的冷却结果，可为探测器5在整体探测器中的布置细节做指导。

进一步的，出口开度调节装置7可以由(安装在冷却腔末端的)单个挡板组成，通过挡板相对冷却腔截面的滑动实现开度调节；或由双挡板组成，其中每个挡板上都有间隔分布的配孔(形状不限)，一个挡板相对冷却腔通道固定，另一个挡板可通过在固定挡板上滑动实现通气截面的调节，获得不同出口开度。

进一步的，根据探测器5上探测芯片的安装是单面或双面，可选择采用非接触式或接触式、或者二者结合的温度测量方式。如采用光学方法的非接触式测量，比如红外测温仪，则冷却腔上盖的材质须是透明材料，且腔壁应尽量薄，不影响测量精度。非接触式的温度测量仪布置在冷却腔外，其位置非固定，可根据探测器5上不同温度测量位置而移动。如用接触式的，如热电偶传感器则根据测量位置需要粘贴在梁上进行测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本本发明中的单个探测器气冷测试装置，是一个具有对上游气体预冷却，对气体流量、入口导流、冷却腔内扰流、出气口开度等进行调节功能的测试装置，同时可以采用非接触式或接触式方式或者二者结合的方式对探测器进行温度测量。适用于强迫气冷的探测器，尤其是纵向长度较长、横向尺寸相对较小的探测器，且探测器气冷下工作温度严格控制同时要求降低温度梯度的情况。通过该装置的各项气流调节功能，获得不同流量、流态的气体环境，并通过监测探测器表面温度，测得不同状态下的冷却效果，可总结评判出对既定探测器的即冷却效果好又温升梯度小的优化气冷配置方案。

附图说明

图1为一种探测器气冷测试装置示意图。

图2为一种探测器气冷测试装置内部结构示意图。

图3为一种探测器气冷测试装置侧向示意图(冷却腔上盖透明)。

图4为一种可调扰流装置的示意图。

图5为一种扰流装置内部的铰接支撑结构侧视图。

图6为一种可调扰流装置另一实施例示意图。

图7为一种可调扰流装置另一实施例内部的铰接支撑结构侧视图。

其中，1-气体降温装置、2-流量控制器、3-可调导流装置、31-进气腔、32-导流插件、4-冷却腔、41-冷却腔上盖、42-冷却腔底板、5-探测器、51-上游隔热支架、52-下游隔热支架、6-可调扰流装置、61-扰流板、611-可调支架、7-出口开度调节装置、8-测温传感器、81-非接触式测温仪、82-接触式测温传感器。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明的一种探测器气冷测试装置如图1、图2所示，该装置包括上游的气体降温装置1，流量控制器2，可调导流装置3，冷却腔4，探测器5和上游隔热支架51、下游隔热支架52，可调扰流装置6，出口开度调节装置7，测温探头8。

测温探头8可以是非接触式测温仪81，如红外测温仪，也可以是接触式传感器82，如安装在探测器5上的热偶式传感器)，探测器的信号线和电源线以及接触式测温传感器的线路沿下游的出口引出，如图3所示。

可调导流装置3与冷却腔4连通，冷却腔4内安装有探测器5及支撑固定该探测器5的上游隔热支架51、下游隔热支架52，探测器5的下方有可调扰流装置6，冷却腔4的下游端口与出口开度调节装置7连通，气体最终由该处排出，探测器5的信号线和电源线以及接触式测温传感器的线路也经该出口引出，方便拆装探测器5。

1)从气源过来的气体，先经降温装置1降低温度，该装置由冷却腔及冷却介质(可为如干冰或冰水混合物等降温介质)和其内为了增加热交换区域而沿曲折走向布置的气管组成，以调低进气口温度，降低探测器的最高温度；然后经由流量控制计2进入可调导流装置3，经导流调节获得预期流场后进入冷却腔4。

进一步的，可调导流装置3由进气腔31和若干导流插件32组成。

进一步的，进气腔横截面形状不限(可按需要制作)，如可以为矩形、半圆形等。

进一步的，导流插件可以是柱、销、板或条状等不同的形式。

进一步的，导流插件在进气腔内的安装定位可以是水平的、或竖直的、或倾斜的。

2)该装置通过调整可调导流装置3通过调整导流插件的数量和插入深度、方向等，调节导流效果，尽量让气体通过进气腔后能够流速均匀地(可按需调节，如横向有差异地)流入冷却腔4内。

进一步的，冷却腔4由冷却腔上盖41和冷却腔底板42组成。

进一步的，探测器5通过上游隔热支架51、下游隔热支架52安装在该冷却腔4内。采用隔热材料的支架或采用非隔热支架并在其和探测器5之间加隔热垫片进行隔热，避免热传导对气冷效果的测量产生影响。支架尺寸要尽可能的和探测器支撑结构相近，并注意尺寸尽量小，少占额外空间，减少对进气的阻挡。

进一步的，探测器5在冷却腔内的定位为纵向沿冷却腔轴线方向，横向可水平或竖直放置。

进一步的，冷却腔4的形状和尺寸不是唯一的，可根据探测器5及其在探测器整体结构中的布置综合确定。冷却腔通道截面尺寸具有优先性，进气腔31的截面形状应与冷却腔(及冷却腔上盖41)相匹配。连接处的截面过渡要平顺。

3)气体经可调导流装置3进入冷却腔通道，气流在冷却腔4内经由可调扰流装置6的调节在探测器5附近的气流通道的截面尺寸发生改变，气体流向和速度都发生变化。

进一步的，可调扰流装置6可以由多个不同规格的扰流块组成，扰流块形成从冷却腔壁向探测器方向的凸起结构，不同规格的扰流块高度不同，通过不同高度的扰流块来调节凸起高度实现扰流作用；扰流块的安装位置可以沿着探测器模块纵向按需求以单点或多点形式布置在冷却腔4的内壁上，扰流块的高度方向垂直于探测器平面方向。可调扰流装置6也可以是插入式扰流块，从冷却腔4的外侧插入内部形成朝向探测器5的凸起，通过其插入深度即凸起高度的调接实现扰流调节；插入式扰流块的安装位置可以为沿探测器纵向按需求以单点或多点形式布置在冷却腔4的内壁上。通过在探测器5附近位置布置并调整扰流块来调节探测器5附近的通气间隙实现扰流。根据伯努利方程，探测器外围的通气间隙的调整会引起气流度和方向的变化，渐变的扰流块高度将产生渐变的通气间隙，进而获得渐变的气流速度，产生渐变的冷却效果。多点布置的扰流块，沿气流方向高度应越来越高，即通气间隙逐渐变小，气流速度逐渐增加，以降低温度梯度。

进一步的，可调扰流装置还可以由冷却腔内安装扰流板61来实现(如图4所示)，扰流板61为直板或者带弯曲弧度的板。扰流板61两端被支撑固定在两个支架611上，两个支架采用插入式安装在冷却腔4的腔壁上。两个支架中可一个或两个都能进行高度调节，优点是实现在腔外的无干涉调节，避免拆开冷却腔才能调节的情况。扰流板一端与支架为铰接支撑方式，另一端与支架间是铰接+滑动的支撑方式，即结构上，扰流板与支架铰接一侧，二者之间为轴与孔的对接；在扰流板与支架为铰接+滑动支撑的一侧，二者之间为轴与长槽孔的对接，扰流板平面对着探测器平面方向。该扰流板的支撑结构优点是在对扰流板的调节过程中对于在支撑节点处扰流板相对支架产生的位移具有自适应调节的功能。该扰流板支撑结构通过调节一侧支架611在冷却腔内的插入高度，可以调整扰流板相对于探测器平面的倾斜角度，也可通过调节两个支架插入高度保持扰流板角度一定而调节其与探测器间的距离。通过扰流板位置和角度的调节进而获得渐变的间隙，进而获得渐变的风速。扰流板相对探测器平面的倾角，其开口方向应该朝向气流入口一侧，即沿探测器纵向，探测器和扰流板间的气流间隙沿气流方向收窄，以降低温度梯度。可以根据探测器5上探测芯片的安装是单面或双面，相应地在冷却腔内相对探测器5的一侧或双侧安装扰流板。

4)气体经可调扰流装置6的进一步调节，获得了沿探测器纵向不同流速，最后经出口开度调节装置7流出，通过调节出口开度，进一步改变冷却腔内的气体流态，获得复杂流态下的冷却结果，为探测器5在整体探测器中的布置细节做指导。

进一步的，出口开度调节装置7可以由(安装在冷却腔末端的)单个挡板组成，通过挡板相对冷却腔截面的滑动实现开度调节；或由双挡板组成，其中每个挡板上都有间隔分布的配孔(形状不限)，一个挡板相对冷却腔通道固定，另一个挡板可通过在固定挡板上滑动实现通气截面的调节，获得不同出口开度。

5)根据探测器5上探测芯片的安装是单面或双面，可选择采用非接触式或接触式、或者二者结合的温度测量方式。如采用光学方法的非接触式测量，比如红外测温仪，则冷却腔上盖的材质须是透明材料，且壳壁应尽量薄，不影响测量精度。非接触式的温度测量仪布置在冷却腔外，其位置非固定，可根据探测器5上不同温度测量位置而移动。如采用接触式的，如热电偶传感器则根据测量位置需要粘贴在梁上进行测量。

尽管为说明目的公开了本发明的具体内容，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。