[发明专利]一种EMCCD相机致冷系统冷屏装置

说明书

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及一种电子倍增电荷耦合器件（Electron Multiplication Charge Coupled Device,EMCCD）相机致冷系统冷屏装置。

背景技术

EMCCD具有高灵敏度与高帧频两个特点，在天文观测、生物医学、科学研究、工业生产等领域有广阔的应用前景。影响EMCCD信噪比的两个关键因素：暗电流噪声与电子倍增增益，均与EMCCD的工作温度相关。EMCCD的工作温度愈低，其暗电流噪声愈小，其电子倍增增益愈大，从而其信噪比愈高。因此，对EMCCD致冷能极大提升其性能，致冷系统是高性能EMCCD相机必不可少的组成部分。

当前EMCCD相机致冷系统多使用热电制冷器作为其冷源。热电制冷器是基于帕尔贴效应的一种小型制冷器，优点是：体积小、使用方便、可靠性高，但是也存在效率低、制冷温差有限、制冷量小等不足。而热电制冷器工作时，冷端负载越小，制冷效果越好。为充分利用热电制冷器的制冷量，增大制冷温差，在设计致冷系统时，应尽可能减少致冷时由外界进入EMCCD的热量。EMCCD与外界换热量越小，致冷系统致冷效果越好。

发明内容

以减少EMCCD与外界环境换热量为目的，本发明公开了一种EMCCD相机致冷系统中的冷屏装置，通过设计冷屏，能够减少外界进入EMCCD的热量。

本发明的技术方案如下：

一种EMCCD相机致冷系统冷屏装置，包括：热沉、一级热电制冷器、N级热电制冷器、外壳、冷屏、EMCCD以及冷指。N=2,3,4，热沉安装在外壳外部底面，其余部件均位于外壳内。一级热电制冷器安装在外壳内部与热沉对应的位置，其热端贴在外壳腔壁上，冷端与冷屏以及N级热电制冷器热端相连。冷屏将N级热电制冷器、EMCCD以及冷指等低温部件包围起来。冷指处于N级热电制冷器3冷端与EMCCD之间，充当两者间热量传递的桥梁。

进一步的，一级热电制冷器与N级热电制冷器堆叠而成的多级热电制冷器，其中一级热电制冷器的冷端与N级热电制冷器的热端相连，一级热电制冷器冷端尺寸大于N级热电制冷器热端尺寸。同时，一级热电制冷器致冷时冷端温度，低于不与之相连时冷屏自身温度。

进一步的，冷屏的材质为紫铜，表面镀银处理。

进一步的，冷屏外表面与外壳内表面间距为4-6mm。

本发明的原理在于：

一种EMCCD相机致冷系统冷屏装置，其核心思想是：在EMCCD相机致冷系统中，设计一个较低温的冷屏，用该冷屏将EMCCD等被冷却器件包围起来，减少致冷时EMCCD与周边环境的温差，从而减少EMCCD与周边环境的换热量。其实现结构包括：热沉、一级热电制冷器、N级热电制冷器（N=2,3,4）、外壳、冷屏、EMCCD以及冷指。冷屏与一级热电制冷器冷端相连，依靠一级热电制冷器冷却冷屏。设计冷屏能够有效减少，致冷时由外界进入EMCCD的热量，从而对减少致冷系统负载，降低EMCCD致冷系统最低致冷温度有积极的意义。在非真空绝热的致冷系统中，效果更为明显。试验证明，在使用惰性气体绝热的EMCCD相机致冷系统中，通过设计冷屏，使外界进入EMCCD的热量较原来减少了25%。

本发明的有益效果是：

（1）、本发明提出的EMCCD相机致冷系统冷屏设计技术，通过在EMCCD与外壳间设置一低温冷屏，能有效减少致冷系统工作时，EMCCD与周边环境的换热，进一步降低致冷系统的最低致冷温度。

（2）、本发明提出的EMCCD相机致冷系统冷屏设计技术，通过在冷屏上镀银，能将环境辐射反射回去，减少一级热电制冷器上的负载。

附图说明

图1为本发明提出的一种EMCCD相机致冷系统冷屏装置EMCCD相机制冷系统结构示意图。其中1为热沉，2为一级热电制冷器，3为N级热电制冷器（N=2,3,4），4为外壳，5为冷屏，6为EMCCD，7为冷指。

图2为EMCCD与外界环境换热热网络图。T_AMB为环境温度，T₁为冷屏温度，T_CCD为EMCCD致冷后温度，R₁为冷屏与外壳间热阻，R₂为EMCCD与冷屏间热阻，Q₁为由外壳进入冷屏热流量，Q₂为由冷屏进入EMCCD热流量，Q₃为一级热电制冷器从冷屏带走的热量