引言

響應(yīng)紅外輻射的光伏銻化銦探測(cè)器需要在低溫下工作，以降低熱噪聲并提高探測(cè)率。因此，該探測(cè)器需要與制冷器配合工作。紅外制導(dǎo)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈除了對(duì)探測(cè)器的性能和尺寸有要求，對(duì)其降溫時(shí)間也有嚴(yán)格的要求。降溫時(shí)間一般要求在幾秒到幾十秒之間。有時(shí)會(huì)由于探測(cè)器的降溫時(shí)間過長而限制武器系統(tǒng)整體戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的提高。因此，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的快速降溫對(duì)整個(gè)武器系統(tǒng)非常重要。

目前，采用錐形冷指結(jié)構(gòu)的探測(cè)器的降溫時(shí)間一直處于8～10 s范圍內(nèi)。為了縮短降溫時(shí)間，需要對(duì)影響因素進(jìn)行試驗(yàn)分析。本文通過分析探測(cè)器的結(jié)構(gòu)列出了影響探測(cè)器降溫時(shí)間的相關(guān)因素，然后對(duì)其中幾個(gè)因素逐個(gè)進(jìn)行了降溫時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)，最終分析了這些影響因素的重要性，并為后續(xù)的降溫時(shí)間改進(jìn)工作提供了參考。

1、探測(cè)器結(jié)構(gòu)分析

圖1所示為采用錐形冷指結(jié)構(gòu)的探測(cè)器杜瓦內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其中，制冷器與冷指耦合；冷臺(tái)與錐形冷指焊接在一起；框架和芯片直接粘接在冷臺(tái)上，并通過鍵合絲與外部進(jìn)行電學(xué)連接；測(cè)溫二極管粘接在框架上。

圖1 錐形微杜瓦探測(cè)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖

將杜瓦冷臺(tái)以上的各個(gè)部件作為一個(gè)整體。它通過制冷器來提供冷量。同時(shí)存在從外殼向冷臺(tái)部件方向（沿冷指和引線）的熱傳導(dǎo)，另外還有其與杜瓦外殼之間的氣體和輻射傳熱。由于杜瓦內(nèi)部為超高真空環(huán)境，氣體傳熱部分占比太小，可以不予考慮。上述沿引線和冷指的固體傳熱以及輻射傳熱共同構(gòu)成了杜瓦的動(dòng)態(tài)熱損耗。

影響探測(cè)器降溫時(shí)間的因素有很多，大體分為三個(gè)方向：杜瓦、制冷器以及兩者耦合在一起后的換熱效率。本文主要針對(duì)杜瓦內(nèi)部的冷臺(tái)部分熱容、杜瓦熱耗以及冷臺(tái)各零件間的熱阻進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)。另外還通過調(diào)整制冷器噴液口到杜瓦冷臺(tái)的距離來影響杜瓦和制冷器的換熱效率，從而進(jìn)行降溫時(shí)間試驗(yàn)分析。

所有試驗(yàn)均采用錐形微杜瓦結(jié)構(gòu)，并將杜瓦的測(cè)溫二極管降溫至95 K的時(shí)長作為探測(cè)器降溫時(shí)間來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2、試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 降熱容試驗(yàn)

表1列出了目前結(jié)構(gòu)的探測(cè)器冷臺(tái)各部分熱容的計(jì)算結(jié)果。目前冷臺(tái)部分的熱容為116.57 J，其中冷屏和框架部分的占比最大。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，計(jì)劃通過降低框架厚度、縮小濾光片、在保證視場角不變的基礎(chǔ)上減小冷屏尺寸以及減少冷屏隔板來降低冷臺(tái)部分的熱容。按照這個(gè)思路，減薄框架并設(shè)計(jì)了縮小尺寸的錐形冷屏（見圖2）。

表1 目前結(jié)構(gòu)探測(cè)器各部分的熱容

在鍵合金絲和粘接劑保持原狀態(tài)不變的情況下，對(duì)兩種不同熱容狀態(tài)的探測(cè)器進(jìn)行了降溫時(shí)間測(cè)試（結(jié)果見表2）。通過對(duì)比表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，降低框架和冷屏的熱容明顯縮短了探測(cè)器的降溫時(shí)間，并且時(shí)間縮短與熱容降低的比例接近，兩者呈現(xiàn)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖2 柱形冷屏與錐形冷屏結(jié)構(gòu)對(duì)比的示意圖

表2 改進(jìn)前后探測(cè)器的熱容降幅與降溫時(shí)間對(duì)比

表3 原杜瓦各部分的熱耗及占比

表4 樣品實(shí)測(cè)熱耗

2.2 降熱耗試驗(yàn)

杜瓦的熱耗主要包括沿冷指及引線方向的固體傳熱、冷屏與窗座之間的輻射傳熱以及濾光片與窗片之間的輻射傳熱。表3列出了原杜瓦各部分熱耗的計(jì)算結(jié)果及占比。其中，占比最大的是冷指熱耗和引線熱耗。所以主要從這兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。受結(jié)構(gòu)整體尺寸的限制，冷指的形狀和尺寸已經(jīng)確定，并且已經(jīng)選用熱導(dǎo)率較低的材料，因此冷指方面已經(jīng)沒有余地來降低組件的熱耗。而從引線方面來看，原狀態(tài)采用的是導(dǎo)熱率較高的金絲，所以通過更換鉑銥絲來降低組件的整體熱耗。

在其它技術(shù)狀態(tài)不變的情況下，通過一組不同熱耗狀態(tài)探測(cè)器的降溫對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了降低熱耗對(duì)降溫時(shí)間的影響。表4列出了兩種樣品的實(shí)測(cè)熱耗。其中，原狀態(tài)采用金絲，改進(jìn)狀態(tài)采用鉑銥絲。

由表4中的數(shù)據(jù)可知，采用鉑銥絲方案時(shí)，杜瓦的熱耗降幅超過30%。但是對(duì)兩種狀態(tài)進(jìn)行降溫時(shí)間測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)狀態(tài)的降溫時(shí)間只比原狀態(tài)縮短了1s左右。因此，對(duì)于這種錐形微杜瓦結(jié)構(gòu)而言，降低杜瓦的熱耗對(duì)縮短降溫時(shí)間有積極作用，但效果不明顯。

2.3 提升粘接劑導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證更換導(dǎo)熱系數(shù)更高的粘接劑對(duì)降溫時(shí)間的影響，我們又進(jìn)行了一組降溫時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)。

目前冷臺(tái)以上的粘接工序包括芯片與冷臺(tái)粘接、二極管粘接、框架與冷臺(tái)粘接以及冷屏與框架粘接。采用的1#粘接劑的導(dǎo)熱系數(shù)為0.8 W/（m?K）。在其他技術(shù)狀態(tài)不變的情況下，采用導(dǎo)熱系數(shù)為1.5 W/（m?K）的2#粘接劑來替代1#粘接劑，并對(duì)替代前后的探測(cè)器降溫時(shí)間進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。改進(jìn)后的降溫時(shí)間縮短了將近1s。因此，采用高導(dǎo)熱率的粘接劑對(duì)縮短降溫時(shí)間有積極作用，但效果不明顯。

2.4 調(diào)整制冷器噴液口到杜瓦冷臺(tái)的距離

根據(jù)相關(guān)理論以及工程方面積累的經(jīng)驗(yàn)可知，制冷器與冷臺(tái)之間的熱交換效率直接影響探測(cè)器的制冷到溫速率。通過特制杜瓦觀察到制冷器節(jié)流孔噴出氣體的液化情況，并發(fā)現(xiàn)了以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）氣體節(jié)流的液化速度極快，基本上不到1s即可觀察到有液體出現(xiàn)，2s左右就可以穩(wěn)定出液；

（2）液柱噴射至冷臺(tái)中心位置，然后向四周擴(kuò)散。

圖3 液柱噴射位置圖

制冷器與探測(cè)器的錐形冷指裝配在一起后，噴液口位于制冷器的頂端。噴液口與探測(cè)器冷臺(tái)之間的相對(duì)位置如圖４所示。可以看出，噴液口到探測(cè)器冷臺(tái)的距離基本等于錐形冷指上端柱形部分的長度。為了驗(yàn)證噴液口到探測(cè)器冷臺(tái)的不同距離對(duì)探測(cè)器制冷到溫速率的影響，我們進(jìn)行了一組對(duì)比試驗(yàn)。采用同一個(gè)探測(cè)器，首先裝配正常制冷器，然后再換裝噴液口加長的制冷器。分別對(duì)兩者進(jìn)行降溫時(shí)間測(cè)試，并記錄兩種狀態(tài)的到溫時(shí)間數(shù)據(jù)（見表5）。

圖4 制冷器噴液口與探測(cè)器之間的相對(duì)位置

表5 不同噴液距離探測(cè)器的降溫時(shí)間對(duì)比

由表５中的數(shù)據(jù)可知，噴液口到探測(cè)器冷臺(tái)的距離與探測(cè)器的降溫時(shí)間關(guān)系密切。采用氮?dú)膺M(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試結(jié)果差別較大：噴液口與冷臺(tái)的距離為5～6 mm時(shí)無法到溫，而距離為6 mm時(shí)16 s可以到溫。采用氬氣進(jìn)行測(cè)試時(shí)，兩種狀態(tài)差別不大，但噴液口加長時(shí)快了將近1s。因此，噴液口到冷臺(tái)的距離較長對(duì)制冷器與探測(cè)器之間的換熱效率不利，適當(dāng)減小該距離有助于縮短探測(cè)器的降溫時(shí)間。

3、小結(jié)

通過分析上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在不考慮制冷器的情況下，冷臺(tái)部分的熱容、杜瓦的動(dòng)態(tài)熱損耗、粘接劑的導(dǎo)熱效率以及制冷器噴液口到冷臺(tái)的距離等因素對(duì)探測(cè)器的降溫時(shí)間都有影響。但對(duì)于降溫時(shí)間一般在10 s以內(nèi)的錐形金屬杜瓦來說，影響最大的因素是冷臺(tái)部分的熱容，其次是制冷器與杜瓦之間的熱交換效率。改善其它因素也能縮短探測(cè)器的降溫時(shí)間，但效果不明顯。下一步將著重研究冷臺(tái)不同表面狀態(tài)對(duì)換熱效率的影響，以期進(jìn)一步縮短降溫時(shí)間。

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