eng
Выпуск #8/2020
А. В. Самвелов, С. Г. Ясев, В.В, Старцев, А. С. Москаленко, Е. Д. Дектерева, О. В. Пахомов
Зависимость основных характеристик микрокриогенной системы Стирлинга для криостатирования фотоприемных модулей от среднего давления цикла
Зависимость основных характеристик микрокриогенной системы Стирлинга для криостатирования фотоприемных модулей от среднего давления цикла
Просмотры: 1555
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.8.674.679
Определяющей составной частью охлаждаемого фотоприемного ИК-модуля, качественно влияющей на его основные характеристики, является микрокриогенная система. Читателю предложены исследования зависимостей технических характеристик моноблочной микрокриогенной системы (МКС) Стирлинга от среднего давления криоагента в системе с целью оптимизации.
Определяющей составной частью охлаждаемого фотоприемного ИК-модуля, качественно влияющей на его основные характеристики, является микрокриогенная система. Читателю предложены исследования зависимостей технических характеристик моноблочной микрокриогенной системы (МКС) Стирлинга от среднего давления криоагента в системе с целью оптимизации.
Теги: cooled ir photodetectors cryostatting microcryogenic stirling systems криостатирование микрокриогенные системы стирлинга охлаждаемые фотоприемники ик-диапазона
Зависимость основных характеристик микрокриогенной системы Стирлинга для криостатирования фотоприемных модулей от среднего давления цикла
А. В. Самвелов 1, С. Г. Ясев 1, В. В. Старцев 1,
А. С. Москаленко 1, Е. Д. Дектерева 1, О. В. Пахомов 2
АО «Оптико-механическое конструкторское бюро «АСТРОН», г. Лыткарино, Моск. обл. Россия
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
Статья поступила: 24.10.2020
Принята к публикации: 24.11.2020
В отечественной промышленности, астрономии, армии, науке и других сферах жизнедеятельности широко применяются микрокриогенные системы (МКС) для криостатирования инфракрасных фотодетекторов. МКС является одним из важнейших компонентов фотоприемных модулей (ФПМ), обеспечивающих охлаждение фоточувствительных структур до рабочей температуры. Микрокриогенная система во многом определяет эксплуатационные характеристики фотоприемного модуля [1–2].
Фотоприемники среднего и длинного поддиапазонов волн ИК-излучения требуют низких температур для подавления собственных шумов, уменьшения темпа тепловой генерации в узкой запрещенной зоне (для полупроводников), повышения чувствительности и электропроводимости. Они предназначены для приема собственного (а также и отраженного) теплового излучения объектов [3]. Иными словами, охлаждение необходимо для обеспечения фотоэлектрических параметров (обнаружительной способности, вольтовой чувствительности и др.) фотоприемного модуля (ФПМ), входящего в состав ИК-аппаратуры. Для этого следует организовать внешнее активное охлаждение ФПМ до криогенных температур [4].
В статье проанализированы зависимости технических характеристик микрокриогенных систем Стирлинга (потребляемой мощности, частоты циклов и быстродействия) микрокриогенной системы для криостатирования фотоприемных модулей от среднего давления цикла.
На рис. 1, 2 представлена микрокриогенная система, интегрированная поочередно с тепловой моделью и фотоприемным модулем для проведения исследований. Микрокриогенная система успешно прошла серию испытаний на прочность и устойчивость к внешним воздействующим факторам.
На рис. 3 показана зависимость потребляемой мощности образца МКС в составе с тепловым имитатором (ТИ) с собственными теплопритоками 250 мВт, измеряемыми при нормальных климатических условиях (НКУ), и приведенной охлаждаемой массой в медном эквиваленте, составляющей 4 г.
Микрокриогенная система последовательно заполнялась различными величинами давления в диапазоне от 2 до 4 МПа, шагом 0,2 МПа. В бесклапанных пневмосистемах давление заполнения соответствует среднему давлению системы. Во всех экспериментах МКС стабилизировалась при температуре криостатирования 110 К, что требуется для криостатирования hot-детекторов.
Как показывает зависимость стационарной потребляемой мощности МКС (оранжевая кривая) при стабилизированном режиме (110 К), оптимальный участок среднего давления криоагента соответствовал 3,2–4 МПа. Стабилизированная потребляемая мощность на этом участке поддерживалась на уровне ≈2,0 Вт (см. рис. 3). Что касается поведения частоты вращения привода МКС и времени выхода на температуру криостатирования (красная и синяя кривые соответственно), то зависимости указанных характеристик от среднего давления цикла ведут себя практически эквидистантно относительно друг друга и имеют оптимум также на участке 3,2–4 МПа, как и в случае потребляемой мощности.
На рис. 4 приведена серия кривых – зависимостей вышеуказанных характеристик МКС от среднего давления цикла МКС при работе микрокриогенной системы в составе с фотоприемным модулем АСТРОН‑640КРТ15А35.
Фотоприемный модуль АСТРОН‑640КРТ15А35, производства АО «ОКБ «АСТРОН», обладает приведенной охлаждаемой массой 4 г в медном эквиваленте и теплопритоками 150 мВт, замеренными в НКУ.
Поведение зависимостей характеристик МКС, состыкованной с ФПМ, от среднего давления цикла, как и в случае работы МКС в составе с тепловым имитатором, подтвердила, что разработка и изготовление теплового имитатора выполнялись с максимальным приближением к ФПМ с точки зрения теплофизики.
Здесь также показательно, что в диапазоне давлений от 3 до 4 МПа стационарная мощность, время выхода на температуру криостатирования и частота электропривода сохраняются оптимальными и практически неизменными (около 2 Вт, 3 мин. и 12–15 Гц соответственно).
Анализ полученных зависимостей позволяет утверждать следующее: в интервале от 3 до 4 МПа потребляемая мощность, затрачиваемая системой (оранжевая кривая), претерпевает относительно небольшую положительную производную с увеличением среднего давления цикла. Это связано главным образом с проявлением в большей степени неизотермичности сжатия, приводящего тем самым к увеличению потерь от теплопритоков из-за наличия неизотермичности сжатия.
Согласно теории Шмидта [5]
, (1)
где f – частота вращения вала, – среднее давление цикла, V0 – максимальный объем полости расширения, δ, θ – конструктивные коэффициенты, ω – отношение максимальных объемов полостей, – угол фазового сдвига.
В интервале средних давлений от 1 до 3 МПа идет последовательное падение мощности потребления (см. рис. 4). При этом ближе к значению 1 МПа падение усиливается интенсивнее. Данное поведение можно объяснить тем, что для реализации требуемых характеристик цикла расходуется больше затрат энергии на увеличение частоты вращения вала (f) (роста частоты циклов Стирлинга). На этом участке выражение (1) не работает. Частота вращения вала (красная кривая) как раз подтверждает полученный вывод.
Заключение
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод, что микрокриогенные системы Стирлинга малой полезной мощности (до 1 Вт) иллюстрируют весьма оригинальное поведение основных характеристик в зависимости от среднего давления цикла.
В интервале от 1 до 3 МПа среднего давления цикла зависимость N, n, τ = f () несет убывающий характер. поскольку рост давления приводит к большей эффективности цикла и, следовательно, требуется меньше затрат энергии как частоты вращения, так и мощности потребления, но до определенного предела, который располагается вблизи значения среднего давления 3 МПа, после которого начинает работать соотношение (1).
В интервале от 3 до 4 МПа зависимости меняются, и с ростом среднего давления кривые n, τ = f () медленно убывают по значениям, тогда как мощность МКС незначительно подрастает. Это происходит по причине роста теплопритоков МКС из-за неизотермичности сжатия криоагента в компрессоре и других видов необратимости, когда имеет место (1).
Учитывая вышеизложенное, можно сделать вывод, что оптимальное среднее давление цикла данной МКС, иначе говоря, давление ее заправки будет лежать вблизи точки 3 МПа. Поскольку при максимальной эффективности цикла энергопотребление ее минимально, следовательно, термодинамический КПД системы будет максимален.
Литература
Самвелов А. В., Ясев С. Г., Москаленко А. С., Старцев В. В., Баранов А. Ю., Пахомов О. В. Отечественная микрокриогеника: микрокриогенные системы для фотоприёмных модулей. Фотоника. 2020;14(4): 332–337.
Самвелов А. В., Ясев С. Г., Москаленко А. С., Старцев В. В., Пахомов О. В. Интегральные микрокриогенные систем Стирлинга в составе криостатируемых фотоприемных модулей на основе матриц длинноволновой ИК-области. Фотоника. 2019;13(1): 58–64.
Самвелов А. В. Микрокриогенные системы Стирлинга в интегральном исполнении с повышенным ресурсом работы. Прикладная физика. 2010; 2: 80–82.
Самвелов А. В., Минаев Д. В., Кошелев П. А., Баранов И. В., Баранов А. Ю., Пахомов О. В. Исследование микрокриогенной системы Стирлинга в расширенном диапазоне температур криостатирования. Прикладная физика. 2017; 4: 89–93.
Архаров А. М. и др. Криогенные системы. – М.: Машиностроение. 1987.
АВТОРЫ
Самвелов А. В., к. т.н, https://astrohn.ru, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро «АСТРОН», Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0001-5840-7626
Ясев С. Г., https://astrohn.ru, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро «АСТРОН», Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0003-1792-6849
Москаленко А. С., https://astrohn.ru, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро «АСТРОН», Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-1657-5015
Старцев В. В., к. т.н, главный конструктор, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-2800-544X
Дектерева Е. Д., АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-8187-1275
Пахомов О. В., Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
ORCID: 0000-0001-8228-6329
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
А. В. Самвелов 1, С. Г. Ясев 1, В. В. Старцев 1,
А. С. Москаленко 1, Е. Д. Дектерева 1, О. В. Пахомов 2
АО «Оптико-механическое конструкторское бюро «АСТРОН», г. Лыткарино, Моск. обл. Россия
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
Статья поступила: 24.10.2020
Принята к публикации: 24.11.2020
В отечественной промышленности, астрономии, армии, науке и других сферах жизнедеятельности широко применяются микрокриогенные системы (МКС) для криостатирования инфракрасных фотодетекторов. МКС является одним из важнейших компонентов фотоприемных модулей (ФПМ), обеспечивающих охлаждение фоточувствительных структур до рабочей температуры. Микрокриогенная система во многом определяет эксплуатационные характеристики фотоприемного модуля [1–2].
Фотоприемники среднего и длинного поддиапазонов волн ИК-излучения требуют низких температур для подавления собственных шумов, уменьшения темпа тепловой генерации в узкой запрещенной зоне (для полупроводников), повышения чувствительности и электропроводимости. Они предназначены для приема собственного (а также и отраженного) теплового излучения объектов [3]. Иными словами, охлаждение необходимо для обеспечения фотоэлектрических параметров (обнаружительной способности, вольтовой чувствительности и др.) фотоприемного модуля (ФПМ), входящего в состав ИК-аппаратуры. Для этого следует организовать внешнее активное охлаждение ФПМ до криогенных температур [4].
В статье проанализированы зависимости технических характеристик микрокриогенных систем Стирлинга (потребляемой мощности, частоты циклов и быстродействия) микрокриогенной системы для криостатирования фотоприемных модулей от среднего давления цикла.
На рис. 1, 2 представлена микрокриогенная система, интегрированная поочередно с тепловой моделью и фотоприемным модулем для проведения исследований. Микрокриогенная система успешно прошла серию испытаний на прочность и устойчивость к внешним воздействующим факторам.
На рис. 3 показана зависимость потребляемой мощности образца МКС в составе с тепловым имитатором (ТИ) с собственными теплопритоками 250 мВт, измеряемыми при нормальных климатических условиях (НКУ), и приведенной охлаждаемой массой в медном эквиваленте, составляющей 4 г.
Микрокриогенная система последовательно заполнялась различными величинами давления в диапазоне от 2 до 4 МПа, шагом 0,2 МПа. В бесклапанных пневмосистемах давление заполнения соответствует среднему давлению системы. Во всех экспериментах МКС стабилизировалась при температуре криостатирования 110 К, что требуется для криостатирования hot-детекторов.
Как показывает зависимость стационарной потребляемой мощности МКС (оранжевая кривая) при стабилизированном режиме (110 К), оптимальный участок среднего давления криоагента соответствовал 3,2–4 МПа. Стабилизированная потребляемая мощность на этом участке поддерживалась на уровне ≈2,0 Вт (см. рис. 3). Что касается поведения частоты вращения привода МКС и времени выхода на температуру криостатирования (красная и синяя кривые соответственно), то зависимости указанных характеристик от среднего давления цикла ведут себя практически эквидистантно относительно друг друга и имеют оптимум также на участке 3,2–4 МПа, как и в случае потребляемой мощности.
На рис. 4 приведена серия кривых – зависимостей вышеуказанных характеристик МКС от среднего давления цикла МКС при работе микрокриогенной системы в составе с фотоприемным модулем АСТРОН‑640КРТ15А35.
Фотоприемный модуль АСТРОН‑640КРТ15А35, производства АО «ОКБ «АСТРОН», обладает приведенной охлаждаемой массой 4 г в медном эквиваленте и теплопритоками 150 мВт, замеренными в НКУ.
Поведение зависимостей характеристик МКС, состыкованной с ФПМ, от среднего давления цикла, как и в случае работы МКС в составе с тепловым имитатором, подтвердила, что разработка и изготовление теплового имитатора выполнялись с максимальным приближением к ФПМ с точки зрения теплофизики.
Здесь также показательно, что в диапазоне давлений от 3 до 4 МПа стационарная мощность, время выхода на температуру криостатирования и частота электропривода сохраняются оптимальными и практически неизменными (около 2 Вт, 3 мин. и 12–15 Гц соответственно).
Анализ полученных зависимостей позволяет утверждать следующее: в интервале от 3 до 4 МПа потребляемая мощность, затрачиваемая системой (оранжевая кривая), претерпевает относительно небольшую положительную производную с увеличением среднего давления цикла. Это связано главным образом с проявлением в большей степени неизотермичности сжатия, приводящего тем самым к увеличению потерь от теплопритоков из-за наличия неизотермичности сжатия.
Согласно теории Шмидта [5]
, (1)
где f – частота вращения вала, – среднее давление цикла, V0 – максимальный объем полости расширения, δ, θ – конструктивные коэффициенты, ω – отношение максимальных объемов полостей, – угол фазового сдвига.
В интервале средних давлений от 1 до 3 МПа идет последовательное падение мощности потребления (см. рис. 4). При этом ближе к значению 1 МПа падение усиливается интенсивнее. Данное поведение можно объяснить тем, что для реализации требуемых характеристик цикла расходуется больше затрат энергии на увеличение частоты вращения вала (f) (роста частоты циклов Стирлинга). На этом участке выражение (1) не работает. Частота вращения вала (красная кривая) как раз подтверждает полученный вывод.
Заключение
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод, что микрокриогенные системы Стирлинга малой полезной мощности (до 1 Вт) иллюстрируют весьма оригинальное поведение основных характеристик в зависимости от среднего давления цикла.
В интервале от 1 до 3 МПа среднего давления цикла зависимость N, n, τ = f () несет убывающий характер. поскольку рост давления приводит к большей эффективности цикла и, следовательно, требуется меньше затрат энергии как частоты вращения, так и мощности потребления, но до определенного предела, который располагается вблизи значения среднего давления 3 МПа, после которого начинает работать соотношение (1).
В интервале от 3 до 4 МПа зависимости меняются, и с ростом среднего давления кривые n, τ = f () медленно убывают по значениям, тогда как мощность МКС незначительно подрастает. Это происходит по причине роста теплопритоков МКС из-за неизотермичности сжатия криоагента в компрессоре и других видов необратимости, когда имеет место (1).
Учитывая вышеизложенное, можно сделать вывод, что оптимальное среднее давление цикла данной МКС, иначе говоря, давление ее заправки будет лежать вблизи точки 3 МПа. Поскольку при максимальной эффективности цикла энергопотребление ее минимально, следовательно, термодинамический КПД системы будет максимален.
Литература
Самвелов А. В., Ясев С. Г., Москаленко А. С., Старцев В. В., Баранов А. Ю., Пахомов О. В. Отечественная микрокриогеника: микрокриогенные системы для фотоприёмных модулей. Фотоника. 2020;14(4): 332–337.
Самвелов А. В., Ясев С. Г., Москаленко А. С., Старцев В. В., Пахомов О. В. Интегральные микрокриогенные систем Стирлинга в составе криостатируемых фотоприемных модулей на основе матриц длинноволновой ИК-области. Фотоника. 2019;13(1): 58–64.
Самвелов А. В. Микрокриогенные системы Стирлинга в интегральном исполнении с повышенным ресурсом работы. Прикладная физика. 2010; 2: 80–82.
Самвелов А. В., Минаев Д. В., Кошелев П. А., Баранов И. В., Баранов А. Ю., Пахомов О. В. Исследование микрокриогенной системы Стирлинга в расширенном диапазоне температур криостатирования. Прикладная физика. 2017; 4: 89–93.
Архаров А. М. и др. Криогенные системы. – М.: Машиностроение. 1987.
АВТОРЫ
Самвелов А. В., к. т.н, https://astrohn.ru, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро «АСТРОН», Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0001-5840-7626
Ясев С. Г., https://astrohn.ru, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро «АСТРОН», Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0003-1792-6849
Москаленко А. С., https://astrohn.ru, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро «АСТРОН», Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-1657-5015
Старцев В. В., к. т.н, главный конструктор, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-2800-544X
Дектерева Е. Д., АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-8187-1275
Пахомов О. В., Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
ORCID: 0000-0001-8228-6329
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
Отзывы читателей
