用于红外探测器的杜瓦组件、红外探测器杜瓦装置的制作方法

1.本实用新型涉及红外探测器领域和真空技术领域，尤其涉及一种用于红外探测器的杜瓦组件、红外探测器杜瓦装置。


背景技术：

2.红外探测器杜瓦装置是红外探测器组件和杜瓦组件的组合件，杜瓦为红外探测器提供一个低温、真空的工作环境。暗电流是决定红外探测器暗电流的重要参数之一，暗电流会增加红外探测器的噪声以及降低探测器的动态范围。红外探测器的暗电流与工作温度有关，降低工作温度可有效地降低红外探测器的暗电流，这也是红外探测器一般于低温下工作的原因。
3.制冷型红外探测器的制冷方式一般有制冷机制冷、低温冷质制冷、半导体制冷等方式。液氮是一种常用的冷质，常压下液氮的临界温度为77k。相对于半导体制冷，其制冷温度更低，降低红外探测器暗电流的效果更明显，无需散热。相对于制冷机制冷，液氮制冷有无震动、无噪声等优点。所以液氮制冷红外探测器组件可以实现长时间曝光以探测一些极微弱的信号，这一特点对天文观测、医疗成像等领域具有重要意义。
4.在相关技术的红外探测器杜瓦装置中，真空寿命是红外探测器杜瓦组件的重要指标之一。
5.现有液氮杜瓦的密封结构由于采用橡胶圈的密封方式，漏率比较大，真空寿命短；另一方面，现有技术中由于采用支撑结构于液氮存储罐的底部进行支撑，增加了冷损失，造成液氮挥发加快，液氮杜瓦在使用过程需要频繁地添加液氮。


技术实现要素：

6.本实用新型解决的技术问题是为了克服现有技术中的液氮杜瓦在使用过程中杜瓦漏率大，真空寿命较短，且由于支撑结构带来的冷损较大的缺陷，提供一种用于红外探测器的杜瓦组件、红外探测器杜瓦装置。
7.本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
8.一种用于红外探测器的杜瓦组件，所述杜瓦组件包括：杜瓦外壳，所述杜瓦外壳包括外壳顶部；杜瓦内胆，所述杜瓦内胆置于所述杜瓦外壳内，所述杜瓦外壳的内侧与所述杜瓦内胆之间具有间隙，所述杜瓦内胆具有内胆本体和瓶颈部，所述瓶颈部位于所述内胆本体的上方，所述瓶颈部与所述外壳顶部的第一开孔密封连接，所述内胆本体用于容置液冷介质；真空保持装置，所述真空保持装置设于所述杜瓦外壳，所述真空保持装置与所述外壳顶部的第二开孔密封连接；其中，所述杜瓦内胆与所述杜瓦外壳之间围成的空间为密封空间且处于真空状态，所述真空保持装置用于使所述密封空间保持真空状态，红外探测器组件被配置为封装在所述密封空间内。
9.在本方案中，采用上述结构设计，杜瓦内胆与杜瓦外壳之间主要通过瓶颈部进行连接，最大限度地减少了导热路径，冷损结构设计有效地降低了杜瓦组件工作状态的冷损，
降低了添加液氮的频率，有效提高了红外探测器杜瓦装置的持续工作时间。通过密封连接，降低了漏率，密封空间容易保持真空状态，通过利用真空保持装置，可以使得密封空间长时间地处于真空状态，提高了杜瓦组件的真空寿命。
10.较佳地，所述杜瓦外壳还包括：外壳侧壁和外壳底部，所述外壳顶部和所述外壳底部相对设置，所述外壳侧壁的两端分别与所述壳顶部和所述外壳底部密封连接，所述外壳侧壁上设有窗口帽开口；窗口帽，所述窗口帽覆设在所述窗口帽开口上并与所述窗口帽开口密封连接；所述杜瓦内胆的腔体的侧壁上设有凸台，所述凸台的中心线与所述窗口帽开口的中心线重合，所述凸台位于所述腔体的侧壁与所述窗口帽之间；其中，所述凸台用于安装所述红外探测器组件。
11.在本方案中，采用上述结构设计使得用于安装红外探测器组件凸台伸出外壳侧壁窗口帽开口，方便后续红外探测器组件的安装及探测应用，另一方面，用于安装红外探测器组件凸台也远离真空保持装置，降低了真空保持装置对红外探测器组件的负面影响。
12.较佳地，红外探测器的杜瓦组件的密封连接由焊接实现。
13.在本方案中，采用上述连接方式，操作简单，且有利于实现密封，且有利于密封空间的真空处理及保持。
14.较佳地，所述瓶颈部的底端与所述内胆本体密封连接，所述瓶颈部由低漏热材料制成。
15.在本方案中，采用上述连接方式及材料选择，进一步地降低处于杜瓦内胆与所述杜瓦外壳之间的热传导路径的冷损，从而有利于进一步提高杜瓦组件的真空寿命。
16.较佳地，所述真空保持装置为吸气剂泵。
17.在本方案中，采用上述装置，红外探测器组件使用过程中当出现因放气导致的真空度降低时，可通过该吸气剂泵来吸附杜瓦组件内部材料释放的气体，从而保证红外探测器杜瓦组件的真空寿命。
18.本实用新型提供一种红外探测器杜瓦装置，包括红外探测器组件和杜瓦组件，所述杜瓦组件采用前面所述的用于红外探测器的杜瓦组件。
19.较佳地，所述红外探测器组件包括红外探测器芯片、冷平台，所述红外探测器芯片安装在所述冷平台上，所述冷平台安装在所述内胆本体的侧壁。
20.在本方案中，采用上述结构形式，红外探测器组件可以充分利用杜瓦内胆内液冷介质(如液氮)制造的制冷环境，能够实现在低温下长时间的工作。
21.较佳地，所述红外探测器组件还包括冷屏，所述冷屏为帽状结构并固定于所述冷平台，所述红外探测器芯片位于所述冷屏与所述冷平台围成的空间内。
22.在本方案中，采用上述结构形式，冷屏可以选择接收被探测物体发出的光而遮挡不期望的光线，避免杜瓦外壳红外辐射的影响。
23.较佳地，所述冷屏的两端延伸至所述冷平台的外部。
24.在本方案中，采用上述结构形式，可以为红外探测器芯片提供更大的遮光范围，有利于提高红外探测器探测的准确性。
25.较佳地，所述冷屏的顶部与所述红外探测器芯片相对应的位置处设有开孔，用于通光，且所述冷屏的内表面涂敷有光吸收层。
26.在本方案中，采用上述结构形式，能够尽可能减少冷屏内表面的光反射。
27.本实用新型的积极进步效果在于：
28.在该杜瓦组件中，杜瓦内胆与杜瓦外壳之间主要通过瓶颈部进行连接，最大限度地减少了导热路径，冷损结构设计有效地降低了杜瓦组件工作状态的冷损，降低了添加液氮的频率，有效提高了红外探测器杜瓦装置的持续工作时间。通过密封连接，降低了漏率，密封空间容易保持真空状态，通过利用真空保持装置，可以使得密封空间长时间地处于真空状态，提高了杜瓦组件的真空寿命。另外，利用液冷介质(例如液氮)作为制冷手段为红外探测器提供了低应力的低温工作环境，大幅降低了降低了红外探测器的暗电流，使红外探测器组件可以进行长时间曝光，从而能实现对微弱目标的探测，同时液氮杜瓦组件在工作时具有无震动、无噪声等特点，这使得本实用新型在天文观测、医疗成像等领域具有重要应用价值。
附图说明
29.图1为本实用新型一优选实施例的红外探测器杜瓦装置的结构示意图。
30.图2为本实用新型一优选实施例的红外探测器杜瓦装置的部分结构示意图，其中，图中未示出窗口帽。
31.图3为本实用新型一优选实施例的红外探测器杜瓦装置的另一部分结构示意图，其中，图中未示出外壳顶部和外壳侧壁。
32.图4为本实用新型一优选实施例的红外探测器杜瓦装置的另一部分结构示意图，其中，图中未示出外壳顶部、外壳侧壁和冷屏。
33.图5为本实用新型一优选实施例的红外探测器杜瓦装置的另一部分结构示意图。
34.图6为本实用新型一优选实施例的红外探测器杜瓦装置中冷平台的结构示意图。
35.附图标记说明：
36.杜瓦外壳 100
37.杜瓦内胆 200
38.外壳顶部 1
39.吸气剂泵 2
40.外壳侧壁 3
41.外壳底部 4
42.红外探测器芯片 5
43.冷屏 6
44.开孔 601
45.冷平台 7
46.凸台 8
47.内胆本体 9
48.瓶颈部 10
49.延伸部 101
50.窗口帽 11
51.窗口帽开口 12
52.第一螺纹孔 13
53.沉孔 14
54.第二螺纹孔 15
55.第三螺纹孔 16
具体实施方式
56.下面通过实施例的方式进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在的实施例范围之中。
57.实施例1
58.如图1-6所示，本实施例提供一种用于红外探测器的杜瓦组件及包含其的红外探测器杜瓦装置。其中，杜瓦组件包括杜瓦外壳100、杜瓦内胆200和真空保持装置。其中，杜瓦外壳100包括外壳顶部1。杜瓦内胆200置于杜瓦外壳100内，杜瓦外壳100的内侧与杜瓦内胆200之间具有间隙，杜瓦内胆200具有内胆本体9和瓶颈部10，瓶颈部10位于内胆本体9的上方，瓶颈部10与外壳顶部1的第一开孔601密封连接，内胆本体9用于容置液冷介质。真空保持装置设于杜瓦外壳100，真空保持装置与外壳顶部1的第二开孔601密封连接。其中，杜瓦内胆200与杜瓦外壳100之间围成的空间为密封空间且处于真空状态，真空保持装置用于使密封空间保持真空状态，红外探测器组件被配置为封装在密封空间内。
59.在本实施例中，杜瓦内胆200与杜瓦外壳100之间主要通过瓶颈部10进行连接，最大限度地减少了导热路径，冷损结构设计有效地降低了杜瓦组件工作状态的冷损，降低了添加液氮的频率，有效提高了红外探测器杜瓦装置的持续工作时间。通过密封连接，降低了漏率，密封空间容易保持真空状态，通过利用真空保持装置，可以使得密封空间长时间地处于真空状态，提高了杜瓦组件的真空寿命。如图1-5所示，杜瓦外壳100还包括外壳侧壁3、外壳底部4和窗口帽11，外壳顶部1和外壳底部4相对设置，外壳侧壁3的两端分别与外壳顶部1和外壳底部4密封连接，外壳侧壁3上设有窗口帽开口12。窗口帽11覆设在窗口帽开口12上并与窗口帽开口12密封连接。杜瓦内胆200的腔体的侧壁上设有凸台8，凸台8的中心线与窗口帽开口12的中心线重合，凸台8位于腔体的侧壁与窗口帽11之间；其中，凸台8用于安装红外探测器组件。
60.在本实施例中，使得用于安装红外探测器组件凸台8伸出外壳侧壁3窗口帽开口12，方便后续红外探测器组件的安装及探测应用，另一方面，用于安装红外探测器组件凸台8也远离真空保持装置，降低了真空保持装置对红外探测器组件的负面影响。
61.需要说明的是，在本实施例中，内胆本体9的底部与外壳底部4之间具有间隙且没有设置支撑结构，从而能够进一步降低冷损。
62.在可选的实施例中，内胆本体9的容量可达3l。
63.在可选的实施例中，杜瓦外壳100整体为中空圆柱体，这一形状具有更高的稳定性更适应内部真空的工作条件。杜瓦外壳100的材料为金属材料，外壳的组成零件之间各接缝均采用焊接工艺密封。实际上，作为一种较佳的实施方式，红外探测器的杜瓦组件的密封连接均由焊接实现。如此设置，操作简单，且有利于实现密封，且有利于密封空间的真空处理及保持。
64.作为一种较佳的实施方式，瓶颈部10的底端与内胆本体9密封连接，瓶颈部10由低漏热材料制成。在可选的实施例中，瓶口直径30mm，长度10mm，壁厚0.3mm。
65.需要说明的是，在本实施例中，杜瓦内胆200主要通过瓶颈部10与杜瓦外壳100实现连接。其中，在满足杜瓦内胆200具有足够强度的基础上，瓶颈部10的直径远小于内胆本体9的直径，瓶颈部10整体细长且为薄壁结构，并采用低漏热材料制成，以同时保证结构强度和低漏热。
66.另外，如图2-4所示，为了提高瓶颈部10与外壳顶部1连接的可靠性，瓶颈部10的顶部具有沿周向方向向外延伸的延伸部101，延伸部101嵌设在外壳顶部1的第一开口，并通过延伸部101与外壳顶部1密封连接。其中，延伸部101的设置增大了瓶颈部10与外壳顶部1的接触面积，进而能够提高两者连接的可靠性。
67.在本实施例中，采用上述连接方式及材料选择，进一步地降低该唯一处于杜瓦内胆200与杜瓦外壳100之间热传导路径的冷损。
68.作为一种较佳的实施方式，真空保持装置为吸气剂泵2,该吸气剂为柱状结构，吸气剂泵2的装药量可根据需求调整。吸气剂泵2安装时，吸气剂泵2从杜瓦组件外部插入预留在外壳顶部1的第二开口，在预定位置适配完毕后，从杜瓦组件的外部焊接密封。具体使用时从杜瓦组件的外部即可进行除气和激活操作，方便快捷。
69.在本实施例中，采用上述装置，红外探测器组件使用过程中当出现因放气导致的真空度降低时，可通过该吸气剂泵2来吸附杜瓦组件内部材料释放的气体，从而保证红外探测器杜瓦组件的真空寿命。
70.如前，本实施例还提供一种红外探测器杜瓦装置，红外探测器杜瓦装置包括红外探测器组件和上述杜瓦组件，其中，如图1-6所示，红外探测器组件包括红外探测器芯片5、冷平台7。
71.其中，红外探测器组件可以充分利用杜瓦内胆200内液冷介质(如液氮)制造的制冷环境，能够实现在低温下长时间的工作。
72.作为一种较佳的实施方式，冷平台7由低膨胀合金材料制成，冷平台7是具有高平面度的板结构，冷平台7固定于杜瓦内胆200的凸台8上，冷平台7用于安装红外探测器芯片5。
73.进一步地，红外探测器组件还包括冷屏6，冷屏6为帽状结构并固定于冷平台7，红外探测器芯片5位于冷屏6与冷平台7围成的空间内。其中，冷屏6可以选择接收被探测物体发出的光而遮挡不期望的光线，避免杜瓦外壳100红外辐射的影响。
74.至少如图4所示，冷屏6的两端延伸至冷平台7的外部。如此设置，可以为红外探测器芯片5提供更大的遮光范围，有利于提高红外探测器探测的准确性。
75.至少如图2-3所示，冷屏6的顶部与红外探测器芯片5相对应的位置处设有开孔601，用于通光，且冷屏6的内表面涂敷有光吸收层。
76.在本实施例中，采用上述结构形式，尽可能减少冷屏6内表面的光反射。
77.需要说明的是，在可替代的实施例中，上述开孔601也作为光阑使用，且根据实际设计需求，也可以在冷屏6的顶部贴装滤光片。
78.另外，需要说明的是，在冷屏6内表面涂敷有光吸收层，即使得冷屏6的内部发黑。其中，作为可选的实施方式，可以通过镀黑镍、石墨烯等来实现发黑。
79.下面结合图1-6，阐述内胆本体9的凸台8、冷平台7、红外探测器芯片5及冷屏6的连接。
80.冷平台7上设置多个连接孔用于固定相关结构件。具体地，冷平台7上设置有四个沉孔14，用于实现冷平台7与内胆本体9的凸台8的连接；冷平台7上设置有四个第一螺纹孔13，用于将红外探测器芯片5固定在冷平台7上；冷平台7上设置有四个第二螺纹孔15，用于固定实现通信连接的电子引出导线；冷平台7上设置有两个第三螺纹孔16，用于将冷屏6固定在冷平台7上。
81.需要说明的是，上述各螺纹孔和沉孔14的数量仅为一种优选的设置，在其他可替代的实施例中，可根据实际需要，将各螺纹孔和沉孔14的数量设置为其他数量，只要能够实现相应结构的可靠安装即可。
82.需要说明的是，在本实施例中，采用液氮作为液冷介质。其中，杜瓦外壳100和杜瓦内胆200之间形成封闭腔体，用于为杜瓦提供真空环境，杜瓦内胆200盛放液氮，液氮通过内胆凸台8和冷平台7能够将红外探测器组件的温度降低至接近80k。
83.在本实施例中，采用上述低膨胀合金材料，可以在凸台8和红外探测器芯片5建立冷热膨胀缓冲区，保护红外探测器芯片5。
84.需要说明的是，本实施例中，一次添加液氮可支持红外探测器组件持续工作30小时以上。
85.实施例2
86.本实施例提供一种红外探测器杜瓦装置的组装方法，用于组装上述实施例1中的红外探测器杜瓦装置。其中，本实施例中与实施例1中相同的附图标记指代相同的元件。
87.具体地，该组装方法包括零部件准备阶段、前处理阶段、组装阶段和后处理阶段；
88.其中，零部件准备阶段为：获得红外探测器杜瓦装置所需的零部件，其中，零部件包括杜瓦外壳100、杜瓦内胆200、外壳侧壁3、吸气剂泵2、外壳底、窗口帽11、红外探测器芯片5、冷平台7和冷屏6；
89.前处理阶段包括：将零部件进行除气处理及表面处理；作为一种较佳的实施方式，零件除气温度为250℃，除气时间24小时。
90.组装阶段包括以下步骤：
91.s10、将杜瓦内胆200与外壳顶部1焊接形成第一组合体；
92.s20、将第一组合体与外壳侧壁3装配并焊接形成第二组合体，其中，完成后的第二组合体的杜瓦内胆200的凸台8与外壳侧壁3的窗口帽开口12中心对齐；
93.s30、将吸气剂泵2和第二组合体装配并焊接密封，形成第三组合体；
94.s40、第将红外探测器组件与第三组合体中杜瓦内胆200的凸台8安装固定，形成第四组合体；
95.s50、将第四组合体与外壳底部4焊接密封；
96.s60、将外壳侧壁3与窗口帽11进行密封焊接；
97.后处理阶段包括：组件组装好后整体进行烘烤、排气处理。
98.作为一种较佳的实施方式，可选的组件烘烤温度为40-70℃，除气时间14-28天。
99.在本实施例中，采用上述组装方法，制造了密封空间的初始真空状态，密封连接方式为焊接，使得相应的连接结构紧密连接，效果优于传统橡胶圈的密封组装方式。采用该组装方法组装的红外探测器杜瓦装置冷损较低，真空寿命较长。作为一种较佳的实施方式，组装阶段的步骤s40包括：
100.s401、将冷平台7安装在第三组合体中的杜瓦内胆200的凸台8上；
101.s402、将红外探测器芯片5安装在冷平台7上；
102.s403、将冷屏6安装在冷平台7上，以形成第四组合体。
103.在本实施例中，采用上述组装方法，红外探测器组件可以应对红外探测器芯片及支撑它的冷平台等结构的温度大幅度变化引起的热胀冷缩形变冲击。其中，凸台8能够在组装过程对冷平台7的安装起到较为可靠的支撑作用，另外，采用上述组装步骤，有利于保证组装的可靠性。作为一种较佳的实施方式，前处理阶段的表面处理方式为：表面抛光处理；表面处理的对象包括杜瓦外壳100的内壁、杜瓦内胆200的外表面、冷平台7的全表面。
104.在本实施例中，采用上述表面处理方式，以减少表面气体吸附，利于密封空间内真空环境的生成与保持，有利于进一步降低红外探测器杜瓦装置的冷损及提高其真空寿命。
105.综上，在本实施例中，提高红外探测器杜瓦装置的真空寿命主要包含下述3种技术手段：(1)如上文所述，相应的结构件之间焊接密封，能够降低漏率；(2)如上文所述，对相应的零部件进行除气、抛光，以减少材料本身的放气；(3)使用吸气剂泵，作用是把材料放气释放出的气体吸附。
106.需要说明的是，红外探测器杜瓦装置的组装方法实际上还包括电连接及通信连接的部分，以实现将信号的传递，该部分的组装可以采用本领域内对应的组装方式即可，即该部分对于本领域技术人员而言是公知的，在此不再赘述。
107.虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。