Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ХОЛОДИЛЬНИКИ ИЛИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ОХЛАДИТЕЛИ

Работа этих охлаждающих устройств базируется на использовании термоэлектриче­ского эффекта Пельтье, когда при последовательном соединении двух различных ме­таллов с источником электродвижущей силы одна поверхность контакта охлаждается, а другая нагревается. Термоэлектрический охладитель представляет собой модуль, в ко­тором металлическим проводником последовательно соединены полупроводники п - и /»-типа, причем холодное соединение образует поглощающую тепло поверхность, а на­гретое - поверхность, выделяющую тепло (рис. 7.28). При подаче напряжения (обычно 0,1 ...5,0 В) между двумя поверхностями на одном переходе тепло поглощается, охлаж­дая расположенный здесь приемник излучения, а на другом - выделяется и отводится через радиатор наружу.

Для увеличения разности рабочей температуры МПИ и температуры окружающей среды такие модули располагают один над другим, т. е. образуют многокаскадные (мно­гоступенчатые) охладители, в которых тепловыделяющая поверхность одного каскада охлаждается теплопоглощающей поверхностью предыдущего. Модули разделяют очень тонкими электроизоляционными прокладками.

Внутри вакуумированного корпуса с системой охлаждения и закрепленным на ней приемником (ФПУ) можно разместить датчик системы термостабилизации, например термистор.

Не имея двигающихся частей, эти охладители чрезвычайно надежны и долговечны. Они могут работать в вакууме и в условиях невесомости при любой ориентации конст­рукции. Их использование заметно упрощает конструкцию, уменьшает массу, габариты и энергопотребление, увеличивает долговечность и надежность, снижает стоимость
системы. Термоэлектрические холодильники имеют сравнительно высокие значения КПД (несколько процентов).

Основными их недостатками являются невозможность получить большой перепад АТ температур охлаждения и окружающей среды, а также ограничение по допустимой тепловой нагрузке. Для однокаскадных холодильников этот перепад составляет не­сколько десятков градусов (60...70 К), а при использовании четырех-пяти каскадов он достигает 120... 130 К.

В большинстве современных конструкций допустимая тепловая нагрузка определя­ется не столько теплопроводностью соединений охлаждаемых и неохлаждаемых частей ФПУ и электронного тракта, как это имело место в ИКС 1-го и 2-го поколений, сколько джоулевым теплом, рассеиваемым в чувствительных элементах приемника и схеме считывания сигналов с этих элементов. Создание ФПУ с мультиплексированием сигна­лов непосредственно в кристалле, на котором формируются чувствительные элементы и схема считывания, заметно упростило требования к системе охлаждения, даже при существенном увеличении числа чув­ствительных элементов, т. е. формата МПИ.

С учетом тенденций развития ИКС, в которых не требуется глубокое охлажде­ние, разработки полупроводниковых тер­моэлектрических криогенных систем весьма перспективны. Так, рабочая темпе­ратура приемников на базе КРТ, работаю­щих в спектральном диапазоне 3...5 мкм, может достигать 170...200 К, что обеспе­чивается с помощью трех - или четырех­каскадных термоэлектрических холодиль­ников.

Малогабаритные и надежные много­ступенчатые термоэлектрические холо­дильники на базе элементов из теллурида висмута (Bi2Te3) за 8... 10 мин могут соз­давать температурный перепад (снижение температуры приемника относительно окружающей температуры в +20°С) в 137 К (для шестиступенчатой конструкции) и 166 К (для семиступенчатой) при отводимой мощ­ности рассеяния 20 мВт [221]. Размеры опытного образца термоэлектрического холо­дильника, разработанного в Японии, составляли: длина 2,3 мм, площадь поперечного

•у

Сечения 1,3х 1,3 мм, теплопроводность 3,2 Вт/мК при окружающей температуре 300 К, напряжение питания 14 В.

Разогрев подложки МПИ джоулевой мощностью, выделяемой током смещения от­дельных элементов чувствительного слоя и токами, протекающими в цепях считывания
сигналов с этих элементов, вызывает температурный дрейф чувствительности микро- болометрических МПИ. Кроме того, как уже указывалось, очень важно компенсировать изменение температуры окружающей среды. Для стабилизации рабочей температуры таких МПИ в ВНЦ «ГОИ им. С. И. Вавилова» разработана специальная термоэлектри­ческая система автоматического регулирования температуры [28]. Система позволяет стабилизировать температуру микроболометрической матрицы, объединенной в одном корпусе с системой считывания сигналов, в интервале Ю...25°С с погрешностью не бо­лее ±0,0025°С при окружающей температуре 15...30°С. Это позволяет получать значе­ния АТп микроболометрического МПИ не хуже 0,03°С.

В настоящее время ряд фирм-производителей выпускает широкую номенклатуру термоохлаждающих модулей (ТОМ). Так, в табл. 7.12 представлены технические ха­рактеристики некоторых ТОМ, выпускаемых фирмой «МЕЬСОК» (США) и показанных на рис. 7.29.

В [51] приводятся параметры и характеристики и других зарубежных типичных термоэлектрических охлаждающих устройств, например, шестикаскадного криостата для получения температуры охлаждения 170 К и восьмикаскадного для получения Т = 145 К при температуре окружающей среды 325 К и потребляемой мощности 40 Вт. Холодопроизводительность последнего составляет 10 мВт.

Более подробные сведения об устройствах охлаждения приемников излучения со­держатся в многочисленной литературе [18, 51, 57, 130, 151, 221, 242 и др.].

Примечание. Здесь обозначено: 1т - входной ток при наибольшем значении АТ А; Qmяx - максимальное количество тепла, которое может быть абсорбировано холод­ной поверхностью (возникает при I = 1т, АТ= 0) Вт; Ут - напряжение при ДГтах; ТИ - температура на горячей поверхности элемента во время работы, °С; ДГтах - макси­мальная разность температур, которая может быть получена на элементе (возникает при I - 1т, £с = 0), °С; N. - число термопар (р - и «-пары).