Перспективные охлаждающие устройства ФПУ [53-58]
К охлаждающим устройствам (ОУ), обеспечивающим низкую рабочую температуру ФПУ в ИКС различного назначения, предъявляются специфические требования. Для портативных ИКС, применяемых, например, в стрелковом вооружении или в космической аппаратуре, требуются ОУ с наивысшей эффективностью, оцениваемой холодильным коэффициентом или термодинамическим КПД - отношением холодопроизводительности к потребляемой мощности, а также с малыми габаритами и массой. Для систем с большим сроком непрерывной работы, например ИКС пограничного наблюдения, обязателен большой срок наработки на отказ. Практически во всех случаях необходима высокая надежность ОУ.
Правительством США принята программа по развитию технологии производства ИКС 3-го поколения с криостатом и холодильником - 3-rd Generation Infrared Integrated Dewar Cooler Assemblies (IDCA) Manufacturing Technology (MANTECH) Program, задачей которой является снижение стоимости компонентов системы и ее сборки на 39% из расчета производства 4600 изделий в течение 12 лет. Программа рассчитана на 3 года и предусматривает разработку двухдиапазонного матричного приемника для средневолнового и длинноволнового ИК-диапазонов и механизма изменения размера охлаждаемой диафрагмы, размещаемой перед фоточувствительным слоем ФПУ.
Как известно, одним из недостатков высокочувствительных фотоэлектронных приемников излучения является необходимость снабжать их криогенными охлаждающими устройствами, что увеличивает стоимость, массу, габариты и энергопотребление всей ИКС, ограничивает срок службы системы, увеличивает шумы и вибрации. В связи с этим все большее распространение в ИКС нового поколения находят импульсно-трубочные криогенные устройства с линейным перемещением регенератора. Такие устройства, хотя и уступают устройствам с вращающимся компрессором в габаритах, массе и потребляемой мощности, однако более удобны в размещении, создают меньший акустический шум и вибрации, а главное, имеют гораздо больший срок безотказной работы. В этих устройствах уменьшение объема и гидравлического диаметра регенератора, а также увеличение среднего давления позволяет обеспечить высокую эффективность работы криогенных устройств. В экспериментах, описанных в [53], хорошая эффективность достигалась при частотах импульсов 100…140 Гц. Увеличение рабочего давления и рабочих частот вело к заметному уменьшению времени выхода на нужную температуру и сокращению габаритов системы охлаждения. Это потребовало разработать специальный компрессор и довести диаметр выходного отверстия регенератора до 30 мкм и менее.
Миниатюрное импульсно-трубочное криогенное устройство обеспечивает температуру 80 К и частоту 150 Гц при среднем давлении 5 МПа. Диаметр и длина регенератора были равны 4,4 мм и 27 мм соответственно. Наименьшая достигнутая температура равнялась 97 К, но при мощности рефрижератора 530 мВт она составила 120 К. Время установления температуры 80 К составило 5,5 мин.
Компания Ricor разработала криогенное устройство, работающее на частотах до 200 Гц и обеспечивающее температуру 95 К при хладопроизводительности 1 Вт, в котором используется поршневой компрессор с подшипниками на подвижных магнитах и пневматически управляемый расширитель, соединенные между собой гибкой связью [54].
Испытания криогенных устройств фирмы Thales Cryogenics с гибкими подшипниками показали, что срок их безотказной работы составляет десятки тысяч часов - от 30150 ч (LSF9188) до 69450 ч (LPT9110). Меньший срок службы имели устройства с подвижными индукционными катушками - от 17955 ч до 40322 ч (UP7080).
В связи с постоянным стремлением удешевить систему охлаждения ФПУ, снизить ее стоимость и массу, увеличить срок службы и избежать применения движущихся деталей не пропадает интерес к термоэлектрическим охладителям. Сегодня лучшие из них, имеющие четыре ступени охлаждения, обеспечивают перепад температур порядка 110 К. Как указывается в [56], с их помощью для ФПУ на базе КРТ удается обеспечить рабочую температуру 210 К и получить ЭШРТ порядка 30 мК при диафрагменном числе объектива К=2.
Компания Raytheon Vision Systems в соответствии с этой программой разрабатывает модуль системы охлаждения для двухдиапазонных ИК-систем переднего обзора (SADA - Standard Advanced Dewar Assembly), в котором в едином охлаждаемом объеме размещаются ФПУ высокого разрешения формата 640 х 488 или 1280 х 720 пикселов размером 20 мкм; охлаждаемая диафрагма, размер которой может изменяться в два раза; высокоэффективный охладитель ФПУ и малогабаритный электронный блок, управляющий работой ФПУ, механизмом изменения размера охлаждаемой диафрагмы, аналого-цифровым преобразователем видеосигнала на выходе ФПУ, двухточечной системой коррекции неоднородности пикселов ФПУ в обоих рабочих спектральных диапазонах. Габариты электронного блока, размещаемого в охлаждаемом объеме, составляют примерно 120 х 57 х 44 мм3. Общая масса разрабатываемого модуля равна 1,8 кг [57].
Наиболее распространенными сегодня являются ОУ, работающие по циклу Стирлинга, а также ротационные (вращающиеся) охладители. Последние обеспечивают холодопроизводительность порядка 0,5…1,0 Вт на 1 кг охлаждаемой массы. Для тех применений, где необходим срок службы, выходящий за пределы возможностей ротационных ОУ, обычно используются охладители Стирлинга различных размеров, обеспечивающие мощность охлаждения от 0,6 до 8 Вт при рабочей температуре охлаждения порядка 80 К [52]. Замена ротационных ОУ на разветвляющиеся линейные позволяет снизить вибрации на выходе, что важно для улучшения качества изображения, а также для увеличения срока наработки на отказ. В [58] сообщается, что такая замена позволила увеличить этот срок с 1000 час до 4000 час.
В линейных ОУ срок службы ограничивается износом поршня компрессора и загрязнением рабочего газа. Увеличение зазора между поршнем и цилиндром, повышающее надежность ОУ за счет уменьшения износа поршня, ведет к увеличению потребляемой мощности.
В линейных ОУ, работающих по циклу Стирлинга, используются либо подвижная катушка, либо подвижный магнит. В [52] указывается, что микроминиатюрные линейно-разветвленные охладители Стирлинга фирмы THALES Cryogenics с подвижной катушкой имеют компрессор диаметром 35 мм с длиной 110 мм, массой 0,47 кг. Они обеспечивают мощность охлаждения 0,5 Вт для температуры 80 К. Ожидается, что срок таких ОУ достигнет в ближайшее время 15 тыс. часов.
Поскольку катушка является основным источником загрязнения рабочего газа, что, в свою очередь, уменьшает срок службы ОУ, конструкция с подвижным магнитом имеет преимущества перед ОУ с подвижной катушкой. Кроме того, в этой конструкции нет электрических переходных соединений или вибрирующих проводов, которые нуждаются в точной регулировке для предупреждения колебаний во время работы ОУ.
Рис.9. Конструкция ОУ с подвижным магнитом и изогнутыми подшипниками
Ряд зарубежных фирм успешно разрабатывает новое поколение ОУ с улучшенными параметрами и характеристиками - устройства с изогнутыми подшипниками и импульсно-трубочными хладопроводами (рис.9 и 10). Изогнутые подшипники поддерживают движущийся поршень в центре цилиндра, т.е. предотвращают механический контакт и износ при зазоре порядка 1 мкм. Это увеличивает срок службы ОУ вдвое.
Охладители Стирлинга с подвижным магнитом фирмы THALES Cryogenics имеют компрессор диаметром 44 мм с длиной 140 мм, массой 1 кг и обеспечивают мощность охлаждения 0,5 Вт для температуры 80 К. Срок службы таких ОУ с изогнутыми подшипниками достигнет в ближайшее время 30 тыс. часов [52]. В аналогичной конструкции компании AIM Infrarot - Module Gmbh этот срок достиг 20 тыс. часов [58].
Рис.10. Охлаждающее устройство с импульсно-трубочным хладопроводом
Наиболее ощутимые преимущества перед ОУ, работающими по циклу Стирлинга, имеют ОУ с импульсно-трубчатым хладопроводом, обладающим очень большой надежностью. Полное отсутствие движущихся механических деталей позволяет устранить выходные вибрации на холодном наконечнике - выходе ОУ.
Отсутствие истирания и износа рабочего поршня и расширителя приводит к увеличению потребления энергии, а также снижает загрязнение рабочего газа. За этот счет срок службы ОУ увеличивается до 50 тыс. часов. При потребляемой мощности 80 Вт и температуре охлаждения 80 К разработки компании AIM Infrarot - Module Gmbh обеспечивают тепловую нагрузку 0,5 Вт при окружающей температуре 65оС (рис.10). Зависимость тепловой нагрузки от потребляемой мощности для различных значений окружающей температуры приведена на рис.11 [58], а на рис. 12 и 13 приведены зависимости тепловой нагрузки (мощности охлаждения) от температуры холодного наконечника ОУ марки LPT9710 при различных потребляемых мощностях и мощности охлаждения хладопровода марки LSF9330, управляемого компрессором LPT9710 от температуры наконечника при различных потребляемых мощностях.
Рис.11. Зависимость тепловой нагрузки импульсно-трубчатого охладителя SL400 от потребляемой мощности при температуре охлаждения 77 К для различных значений окружающей температуры
Охладитель с импульсно-трубчатым хладопроводом (ОИТ) со сроком службы более 30 тыс. ч был использован фирмой AIM Infrarot - Module Gmbh (Германия) для непрерывной работы в тепловизионных системах обнаружения орудийного огня. Предполагается, что такие охладители могут заменить широко применяющиеся в настоящее время охлаждающие устройства с циклом Стирлинга. Фирма разработала многодиапазонный (гиперспектральный) датчик формата 1024х256 пикселов размерами 24х32 мкм, использующий систему охлаждения с ОИТ [58]. Для охлаждающей мощности 1 Вт при температуре окружающей среды + 60?С и температуре охлаждения приемника 80 К требуется входная мощность компрессора с ОИТ порядка 60 Вт.
Рис.12. Зависимость тепловой нагрузки от требуемой температуры холодного наконечника ОУ марки LPI 9710 для различных потребляемых мощностей
Рис.13. Тепловая нагрузка хладопровода LSF 9330, управляемого компрессором 9710, как функция температуры холодного наконечника при различных величинах электрической потребляемой мощности.
Следует указать, что современные ОУ с импульсно-трубчатым хладопроводом имеют увеличенные габариты, не позволяющие пока использовать их в ИКС 3- го поколения. Нужно также отметить, что пока всё еще мал к.п.д. ОИТ, особенно при высокой температуре окружающей среды и низкой рабочей температуре охлаждения приемника излучения. Кроме того, требуется очень тщательное согласование существующих типов дьюаров и конструкции ОИТ, т.е. подгонка ОИТ под существующие зазоры дьюара по диаметру и длине.
Преобразователи ИК сигналов в видимые
Задача преобразования ИК изображений в видимые с помощью малогабаритных полупроводниковых устройств становится все более актуальной для многих практических применений.
Корпорация Sirica (Израиль) разработала пленочный преобразователь длинноволнового ИК-излучения в видимое (или ближневолновое ИК), позволяющий создать дешевый высококачественный приемник, не требующий охлаждения и размещения в вакуумированном корпусе [59].
Корпорация разрабатывает интегрированную конструкцию, объединяющую такие элементы приемника как преобразователь в виде пленки, источник накачки, дихроичный фильтр и кремниевый датчик изображения на КМОП-структуре. Преобразователь состоит из кластера очень малых частиц кремния (мезоскопического размера), которые являются центрами поглощения длинноволнового ИК-излучения; кластера малых кремниевых частиц - центров излучения в видимом и ближневолновом ИК-диапазоне и связывающей эти кластеры матрицы, изготовленной из аморфного кремниевого компаунда, создающего свободные носители для связи кластеров.
Процесс преобразования излучения в такой структуре в такой структуре можно разбить на несколько этапов:
1. Источник накачки, создающий излучение в видимом или ближневолновом ИК-диапазоне, формирует устойчивое неравновесное распределение свободных носителей внутри кремниевых кластеров, которое характеризуется узким высокоэнергетическим концом спектра, т.е. низкой эффективной температурой, что позволяет работать без охлаждения. Средняя кинетическая энергия свободных носителей больше, чем тепловая энергия, а разность между средней энергией свободных носителей и высотой естественного барьера между кремниевыми кластерами и материалом матрицы становится барьером для ИК-фотоэмиссии.
2. Фотоны ИК-излучения, падающие на пленочный преобразователь, поглощаются свободными носителями в мезоскопическом кремниевом кластере, стимулируя эмиссию носителей через барьер в материале матрицы. Закон поглощения ИК-излучения возбужденными свободными носителями близок к квадратичной зависимости от длины волны излучения.
3. Свободные носители в материале матрицы затем рекомбинируют во втором кремниевом кластере, создавая фотоны видимого/ближневолнового ИК излучения. Последнее может приниматься обычными датчиками изображения на КМОП-структурах.
В соответствии с этим процессом основными узлами преобразователя являются:
1. преобразующий слой; 2. источник накачки; 3. оптическая схема связи входного слоя и датчика изображения; фильтр, отсекающий излучение источника накачки; 5. датчик изображения. Общий коэффициент преобразователя равен произведению коэффициентов преобразования этих узлов. фотоприемник квантоворазмерный матричный охлаждающий
Источник накачки выбирается таким, чтобы создавать требуемый для эффективного преобразования длинноволнового ИК-излучения в видимое или ближневолновое ИК поток фотонов и обеспечить однородность его распределения по площади слоев преобразователя. Неоднородность этого распределения должна быть скорректирована с помощью соответствующего алгоритма.
В отличие от обычного кремния, который очень слабо излучает, кремниевые нанокристаллы малого размера являются хорошими источниками видимого излучения даже при комнатной температуре. Изменяя размеры нанокристаллов, можно управлять светоотдачей и длиной волны излучения. Из-за редукции размеров ширина разрешенной зоны нанокластера увеличивается. Поэтому необходим сдвиг излучения накачки в голубую часть спектра. Изменения в структуре запрещенной зоны вызывают рост вероятности рекомбинации носителей в кремниевом нанокластере и, следовательно, увеличение эффективности люминесценции.