超长线列红外探测器杜瓦组件辐射热评估方法研究

夏晨希，李 俊，孙 闻，王小坤



超长线列红外探测器杜瓦组件辐射热评估方法研究

夏晨希1,2，李 俊1,2，孙 闻1,2，王小坤1

（1. 传感技术国家重点实验室，中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083；2. 中国科学院大学，北京 101408）

超长线列红外探测器杜瓦组件大多采用桥式结构力学支撑，利用多点柔性冷链实现冷平台温度均匀。杜瓦组件结构复杂，利用传统辐射热公式计算相对困难。本文针对两种结构的8000元超长线列杜瓦组件，先用ANSYS有限元模拟出两种杜瓦的温度场并提取出辐射热；然后设计实验测试杜瓦内12个典型位置温度，验证了温度场准确性。同时基于材料的热导率和温度梯度计算热流，从而间接计算出辐射热。研究结果表明，有限元仿真辐射热与实验计算辐射热误差在2%左右。

长线列；辐射热；有限元；杜瓦

0 引言

随着我国空间技术的发展，红外遥感仪器向着高灵敏度和高分辨率发展。在研制高分辨大视场光学系统中，为了克服视场和分辨率之间的矛盾，解决的途径之一是采用高分辨率、超长线列红外焦平面探测器组件[1]。目前，超长线列红外焦平面探测器已经达到几千元的规模，30000元超长线列探测器组件已成下一代空间遥感仪器的核心元件[2]。随着波长向长波扩展和探测灵敏度的提高，红外探测器必须在深低温下才能工作。由于机械制冷具有结构紧凑、体积小、重量轻、制冷量大、制冷时间短、制冷温度可控范围大等优点，目前该类探测器在应用中大多采用机械制冷方式[3-4]。冷源多为单点制冷机的冷指，为了保证探测器性能的一致性，探测器的温度均匀性需要最大温差＜2K。在满足超长线列红外探测器温度均匀性的前提下，本文对超长线列红外探测器杜瓦组件内红外探测器与单点冷源耦合的冷量传输特性进行分析，提出基于有限元模拟的辐射热计算方法，并通过冷平台温度场实验，对间接计算辐射热的方法进行验证。

1 超长线列红外探测器杜瓦组件评估方法

超长线列红外探测器杜瓦组件大多采用桥式结构力学支撑，利用多点柔性冷链实现冷平台温度均匀。以8000元超长线列红外探测器件杜瓦组件为研究对象，开展研究。

1.1 超长线列红外探测器杜瓦组件

图1为8000元超长线列红外探测器件杜瓦组件。该组件采用桥式结构，由两侧支撑托起冷平台[5]。冷平台长度达到248mm，上面搭载16个512子模块拼接而成的探测器，组件内集成直线脉管制冷机。对于超长线列红外探测器来说，柔性冷链是必备的部件，它起到了将制冷机的冷量从“点”向“面”传输的作用，保证了探测器模块的温度均匀性，同时隔离了制冷机的振动。该柔性冷链下端为实心圆柱体结构，上端为层状树形结构。

图1 超长线列红外探测器杜瓦组件结构示意图

1.2 超长线列红外探测器杜瓦组件有限元仿真辐射热

ANSYS有限元模拟不仅仅能仿真固体传导，还能针对多个面互相辐射的情形进行计算。对于有个面互相辐射的情况，ANSYS能生成角系数矩阵[]为×维矩阵，对平衡方程[]{}={}进行牛顿-拉尔森迭代可以求解多个辐射面与导热耦合的温度场。

针对两种不同规格的8k超长线列红外探测器杜瓦组件利用有限元仿真软件模拟温度场。Ⅰ型冷平台尺寸和上冷屏开口大小为248mm×47mm，冷平台表面抛光，Ⅱ型冷平台尺寸和上冷屏开口大小为248mm×31mm，冷平台表面抛光并镀金。

将超长线列红外探测器组件赋予恒温的边界条件，冷头温度为恒温77K，杜瓦外壳恒温295K，输入材料在低温下的热导率可以得到固体传导的仿真。同时，将各部件的表面均设置为辐射面，赋予不同的表面发射率，能够得到在固体传导和辐射换热耦合温度场的辐射热。表面发射率主要受材料、表面加工情况和温度的影响，本文中的表面发射率数值来源于文献数据。主要部件的物性参数如表1所示[6-8]。ANSYS认为辐射是表面现象，不适用于透明模型，因此我们将高透过率的窗口发射率设置为0.9。对上述模型进行稳态热模拟[9]。

通过ANSYS有限元模拟提取出辐射面的净辐射值。对于超长线列探测器杜瓦组件，辐射热为杜瓦外壳和窗口的净辐射值之和，如表2所示。

2 实验验证辐射热评估

2.1 实验验证辐射热方法

探测器工作时，杜瓦腔体内处于高真空状态（＜10－4Pa），剩余空气处于自由分子状态，相比于固体传导和辐射换热，对流换热极小，因此忽略不计。固体传导见图2，制冷机提供的冷量1（总冷损）都经过冷链传递到冷平台，再由两端的支撑传导到杜瓦外壳2和3，由于结构的对称性，2与3相等。图中未标出导线的固体传导为4。杜瓦组件内部部件对杜瓦外壳的辐射热为5。将杜瓦内部所有部件当做一个系统，包括冷平台、冷链、支撑等，只考虑系统的冷量进入、流出，不考虑系统内部之间的冷量传递，如图3所示，可以得到：

1＝22＋4＋5(1)

柔性冷链圆柱体部分完全被下冷屏笼罩，下冷屏的温度与圆柱体温度相差不大，因此我们将通过该圆柱体的热流量近似认为是总冷损1。

表1 主要部件物性参数表

表2 2种杜瓦模拟辐射热表

图2 超长线列红外探测器固体传导示意图

图3 系统冷量流向示意图

将冷链圆柱体、支撑、导线的导热均看成是一维稳态导热，根据一维傅里叶导热定律式(2)，知道该部件上下两端的温度可以计算出温差D，然后分别计算得到1、2、4：

式中：为热流；为横截面面积；为导热系数；D为两端的温度差；为长度。

2.2 实验验证结果及分析

在柔性冷链、支撑、冷平台上总共布置12个测温二极管，然后利用真空泵将超长线列红外探测器组件抽真空至10－4Pa量级，采用液氮相变制冷对冷头制冷，保持冷头的温度恒定为77K。实时采集测温二极管的读数。

实验得到各温度点和模拟温度场提取值如图4、图5所示。横坐标为测温点的编号，如图2所示。1、2号点分布在柔性冷链的上下端；3号点在支撑的上端，支撑的下端认为是杜瓦外壳的温度；4-11号点在冷平台上；12号点在Ⅰ型中布置在上冷屏上，在Ⅱ型中布置在柔性冷链的树状结构上。这些温度点分布在杜瓦组件的主要部件上，能够代表整体的温度场。

对比两种规格的超长线列红外探测器杜瓦组件的温度场和有限元仿真的温度场，两者在测温点上温度分布相差在4.3%以内，因此能够认为有限元仿真的温度场与真实的温度场相同。

图4 Ⅰ型杜瓦温度场散点示意图

图5 Ⅱ型杜瓦温度场散点示意图

基于冷链、支撑、导线的长度和横截面积，结合实验得到温度点数据计算辐射热，与ANSYS有限元模拟辐射热比较，如表3所示。

3 结论

通过ANSYS有限元模拟得到了超长线列红外探测器杜瓦组件的温度场分布，并通过实验测得了12个典型点的温度分布与模拟结果相符，验证了模拟结果的合理性。

表3 2种规格杜瓦辐射热对照表

利用实测温度点数据计算得到辐射热与ANSYS有限元模拟中提取出来的辐射热对比，误差在2%左右。认为有限元模拟方法准确可行的，为超长线列红外探测器的结构设计、优化起到了参考作用。

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Research on Evaluation Method of Radiant Heat of Long Linear IRFPA Dewar

XIA Chenxi1,2，LI Jun1,2，SUN Wen1,2，WANG Xiaokun1

(1.,,, 200083,; 2., 101408,)

In most long linear infrared focal plane (IRFPA) Dewars, the detectors are supported by a bridge structure. Flexible thermal links are used to maintain uniform temperature of the cold platform. It is difficult to calculate the radiant heat of Dewar components using an empirical formula. In this study, the radiant heat of a Dewar is simulated using the ANSYS finite element method. Furthermore, the temperature field of the Dewar components is experimentally measured. The heat flow is calculated based on the thermal conductivity and temperature gradient. Consequently, the radiant heat is calculated indirectly. The results show that the deviation between the radiant heats simulated using ANSYS and calculated indirectly using the temperature field is approximately 2%.

long linear IRFPA Dewar，radiant heat，finite element

TN215

A

1001-8891(2017)09-0794-04

2017-03-21；

2017-07-16.

夏晨希（1992-），男，硕士研究生，主要从事超大规模红外探测器杜瓦组件方面研究。E-mail：xcx55955@163.com。