eng
Выпуск #4/2020
А. В. Самвелов, С. Г. Ясев, А. С. Москаленко, В. В. Старцев, А. Ю. Баранов, О. В. Пахомов
Отечественная микрокриогеника: микрокриогенные системы для фотоприемных модулей
Отечественная микрокриогеника: микрокриогенные системы для фотоприемных модулей
Просмотры: 2373
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.4.332.337
Создан типоразмерный ряд микрокриогенных систем Стирлинга для фотоприемных модулей, работающих в ИК‑диапазонах спектра 3–5 мкм и 7–14 мкм. Ряд включает четыре типа систем обратного цикла Стирлинга интегрального и дифференциального исполнения. Представлены результаты испытаний холодопроизводительностью 400, 500, 750 мВт (77 К, +60 °C). При проектировании и изготовлении систем были использованы технологические решения, повышающие эффективность и ресурс работы в диапазоне температур криостатирования 70–150К.
Создан типоразмерный ряд микрокриогенных систем Стирлинга для фотоприемных модулей, работающих в ИК‑диапазонах спектра 3–5 мкм и 7–14 мкм. Ряд включает четыре типа систем обратного цикла Стирлинга интегрального и дифференциального исполнения. Представлены результаты испытаний холодопроизводительностью 400, 500, 750 мВт (77 К, +60 °C). При проектировании и изготовлении систем были использованы технологические решения, повышающие эффективность и ресурс работы в диапазоне температур криостатирования 70–150К.
Теги: cryostatting temperature starting power stationary mode stirling microcryogenic systems микрокриогенные системы стирлинга пусковая мощность стационарный режим температура криостатирования
Отечественная микрокриогеника: микрокриогенные системы для фотоприемных модулей
А. В. Самвелов 1, С. Г. Ясев 1, А. С. Москаленко 1,
В. В. Старцев 1, А. Ю. Баранов 2, О. В. Пахомов 2
АО «Оптико-механическое конструкторское бюро «АСТРОН», Лыткарино, Моск. обл., Россия
Санкт-Петербургский университет точной механики и оптики (Университет ИТМО), Санкт-Петрбург, Россия
Создан типоразмерный ряд микрокриогенных систем Стирлинга для фотоприемных модулей, работающих в ИК‑диапазонах спектра 3–5 мкм и 7–14 мкм. Ряд включает четыре типа систем обратного цикла Стирлинга интегрального и дифференциального исполнения. Представлены результаты испытаний холодопроизводительностью 400, 500, 750 мВт (77 К, +60 °C). При проектировании и изготовлении систем были использованы технологические решения, повышающие эффективность и ресурс работы в диапазоне температур криостатирования 70–150К.
Статья поступила: 24.03.2020
Принята к публикации: 24.04.2020
ВВЕДЕНИЕ
Визуализация изображения, сканирование, прицеливание, наведение, дистанционное зондирование в круглосуточном режиме в любых погодных условиях требуют использование охлаждаемых ИК‑модулей. Неотъемлемая часть ИК‑модулей – миниатюрные системы охлаждения, называемые микрокриогенные системы Стирлинга (МКС) [1].
Технологии фотоэлектроники – критические технологии, определяющие степень технологического развития машинного зрения, искусственного интеллекта, беспилотной навигации. Но уровень современной фотоэлектроники во многом зависит от технологии охлаждаемых фотоприемных модулей (ФПМ) и криостатирующих микрокриогенных систем. От МКС зависит стабильность фотоэлектрических характеристик фотоприемных устройств: вольтовая и токовая чувствительности, обнаружительная способность, эквивалентная шуму разность температур и др.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В настоящее время российские предприятия не обеспечивают серийный выпуск эффективных МКС Стирлинга. Отечественному заказчику важно не только иметь возможность приобретать российские МКС для криостатирования ФПМ, главное – иметь возможность выбора высокоэффективных МКС, с необходимыми теплоэнергетическими характеристиками, в удобной компоновке для разрабатываемой аппаратуры [2, 3]. В АО «ОКБ «АСТРОН» создан модельный ряд эффективных МКС Стирлинга. Для целей выпуска типоразмерного ряда необходимо провести испытания и определить значения параметров приборов.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектом исследования является созданный в АО «ОКБ «АСТРОН» модельный ряд, включающий четыре типа МКС Стирлинга интегрального и дифференциального исполнения холодопроизводительностью 400, 500, 750 мВт (77К, 60 °C). При проектировании МКС для повышения эффективности и ресурса МКС были использованы инновационные технологические решения. В пусковой период система работает с максимальным числом оборотов, обеспечивая требуемое время готовности. При достижении рабочей температуры криостатирования система переходит в режим, обеспечивающий лишь подавление теплопритоков. Таким образом, МКС работает в режиме энергосбережения. Особенности эксплуатации МКС определяют жесткие требования к виброактивности. Основные характеристики МКС, разработанные и выпускаемые АО «ОКБ «АСТРОН», указаны в таблице. Внешний облик микрокриогенных систем представлен на рис 1 и 2.
Микрокриогенные системы прошли пусковые испытания при нормальных климатических условиях (НКУ), а также при воздействии повышенной температуры окружающей среды Тос = 50 °C в составе с тепловыми моделями КНГУ.32.50.00. Графики испытаний иллюстрируют рис. 3–6.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
Конструктивное исполнение микрокриогенной системы модели МКС400СР выполнено по схеме сплит Стирлинг (ротационный). При испытании прибор запускали в составе с тепловым имитатором с собственными теплопритоками 200 мВт. Потоки измеряли при НКУ. Охлаждаемая масса тепловой модели в медном эквиваленте составила 4 г.
Как видно из графика (рис. 3), время выхода на режим криостатирования МКС при НКУ составляет 5 минут 20 секунд, при температуре окружающей среды Тос = 50 °C время пускового режима составило 7 минут 30 секунд. При этом пусковая мощность системы не превышала 18 Вт. В стационарном режиме мощность потребления МКС доходила до 5,5 Вт. При температуре окружающей среды Тос = 50 °C величины достигали соответственно значений 21,5 Вт и 6,1 Вт. Давление заправки МКС криоагентом 3,4 МПа.
Следующая система из разработанного ряда охлаждающих систем – МКС400СЛ. Система выполнена по схеме сплит Стирлинг (линейный). В испытаниях МКС400СЛ запускали с той же тепловой моделью, как и предыдущую систему. График демонстрирует (рис. 4), что время выхода на режим криостатирования МКС при НКУ составило 5 минут 45 секунд, при температуре окружающей среды Тос = 50 °C время достигло значения 8 минут 15 секунд.
При этом пусковая мощность системы при НКУ составляла 20,5 Вт. Стационарная мощность потребления МКС была 5,8 Вт. При температуре окружающей среды Тос = 50 °C величины соответственно равнялись 23,2 Вт и 6,4 Вт. Давление заправки МКС криоагентом 3,2 МПа.
В основе конструкции системы охлаждения МКС500 лежит схема интегральный Стирлинг. При испытаниях систему запускали в составе с тепловым имитатором с собственными теплопритоками 220 мВт, измеряемыми при НКУ. Охлаждаемая масса тепловой модели в медном эквиваленте составляет 4 г.
По графику (рис. 5) видно, что время выхода на режим криостатирования МКС при НКУ составляло 4 минут 32 секунды, а при температуре окружающей среды Тос = 50 °C время увеличилось до 6 минут 28 секунд. При этом пусковая мощность системы составляла 17,3 Вт. Потребление мощности в стационарном режиме также демонстрировало энергоэффективность и не превышало 4,6 Вт. При температуре окружающей среды Тос = 50 °C значения мощности достигали соответственно 19,6 Вт и 5,9 Вт. Давление заправки МКС криоагентом 3,5 МПа.
Система МКС750 выполнена в конструкции интегральный Стирлинг. При испытаниях его запускали в комплексе с тепловым имитатором с собственными теплопритоками 310 мВт. Измерения проводили при НКУ. Охлаждаемая масса тепловой модели в медном эквиваленте составляет 7 г.
График рабочих испытаний (рис. 6) показывает, что время выхода на режим криостатирования МКС при НКУ составляло 4 минуты 55 секунд и при температуре окружающей среды Тос = 50 °C увеличивалось до 6 минут 48 секунд. При этом пусковая мощность системы составляла 26,3 Вт. Стационарная мощность потребления МКС достигает 6,7 Вт. При температуре окружающей среды 50 °C величины приобретают соответствующие значения 29,6 Вт и 8,3 Вт. Давление заправки МКС криоагентом 4,6 МПа.
МКС проходят испытания с тепловыми моделями КНГУ.32.50.00 по наработке на отказ. Тепловая нагрузка к тепловым моделям измерялась весовым способом без учета влияния энтальпии отходящих паров. Дополнительная тепловая нагрузка в криозону тепловых моделей при испытаниях не подавалась.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Типоразмерный ряд микрокриогенных систем обратного цикла Стирлинга охватывает область требуемых значений в диапазоне температур криостатирования 70–150 К. Испытания показали работоспособность микрокриогенных систем и воспроизводимость рабочих параметров. Типоразмерный ряд предназначен для комплектации унифицированных фотоприемных модулей (ФПМ), работающих в ИК‑диапазонах спектра 3–5 мкм и 7–14 мкм. Основу ФПМ составляют фоточувствительные матрицы форматов 128 × 128, 256 × 256, 320 × 256 и 640 × 512 элементов на основе InSb, КРТ, технологии QWIP’s, а также hot detector’s, обеспечивающих тактико-технические характеристики оптико-электронных комплексов перспективных ВВСТ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
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. DOI: 10.22184 / FRos.2019.13.1.58.64.
Колесников А. М., Самвелов А. В., Словеснов К. В. Микрокриогенные системы Стирлинга в интегральном исполнении с повышенным ресурсом работы. Прикладная физика. 2010; 2: 80–82.
Трошкин Ю. С., Чапкевич А. Л., Горбунов Е. К., Посевин О. П., Самвелов А. В. Микрокриогенная система (МКС) с газовой криогенной машиной Стрилинга интегрального типа для охлаждения фоточувствительных элементов. Прикладная физика. 1999; 3: 60–65.
REFERENCES
Samvelov A. V., Yasev S. G., Moskalenko A. S., Startsev V. V., Pakhomov O. V. Integral microcryogenic stirling systems as a part of cryostatting photoreceiving modules based on long ir region matrix. Photonics Russia. 2019; 13(1): 58–64. DOI: 10.22184 / FRos.2019.13.1.58.64.
Kolesnikov A. M., Samvelov A. V., Slovesnov K. V. Mikrokriogennye sistemy Stirlinga v integral’nom ispolnenii s povyshennym resursom raboty. Prikladnaya fizika. 2010; 2: 80–82.
Troshkin YU. S., CHapkevich A.L., Gorbunov E. K., Posevin O. P., Samvelov A. V. Mikrokriogennaya sistema (MKS) s gazovoj kriogennoj mashinoj Strilinga integral’nogo tipa dlya ohlazhdeniya fotochuvstvitel’nyh elementov. Prikladnaya fizika. 1999; 3: 60–65.
АВТОРЫ
Самвелов Андрей Витальевич, канд. техн. наук, samv-andrej@yandex.ru начальник исследовательского центра "Микрокриогенные системы" АО "ОКБ "АСТРОН", https://astrohn.ru, член-корр. Международной академии холода, Лыткарино, Моск. обл., Россия
ORCID: 0000-0001-5840-7626
Ясев Серей Геннадьевич, руководитель проекта "Микрокриогенные системы", АО «Оптико-механическое конструкторское бюро «АСТРОН», https://astrohn.ru, Лыткарино, Моск. обл., Россия
ORCID: 0000-0003-1792-6849
Москаленко Александр Сергеевич, начальник вакуумного участка, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро «АСТРОН», https://astrohn.ru, Лыткарино, Моск. обл., Россия
ORCID: 0000-0002-1657-5015
Старцев Вадим Валерьевич, канд. техн. наук, главный конструктор, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-2800-544X
Баранов Александр Юрьевич, профессор практики, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
ORCID: 0000-0003-2465-4642
Пахомов Олег Всеволодович, доцент кафедры криогенной техники, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
ORCID: 0000-0001-8228-6329
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе многолетней работы всех членов авторского коллектива.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
А. В. Самвелов 1, С. Г. Ясев 1, А. С. Москаленко 1,
В. В. Старцев 1, А. Ю. Баранов 2, О. В. Пахомов 2
АО «Оптико-механическое конструкторское бюро «АСТРОН», Лыткарино, Моск. обл., Россия
Санкт-Петербургский университет точной механики и оптики (Университет ИТМО), Санкт-Петрбург, Россия
Создан типоразмерный ряд микрокриогенных систем Стирлинга для фотоприемных модулей, работающих в ИК‑диапазонах спектра 3–5 мкм и 7–14 мкм. Ряд включает четыре типа систем обратного цикла Стирлинга интегрального и дифференциального исполнения. Представлены результаты испытаний холодопроизводительностью 400, 500, 750 мВт (77 К, +60 °C). При проектировании и изготовлении систем были использованы технологические решения, повышающие эффективность и ресурс работы в диапазоне температур криостатирования 70–150К.
Статья поступила: 24.03.2020
Принята к публикации: 24.04.2020
ВВЕДЕНИЕ
Визуализация изображения, сканирование, прицеливание, наведение, дистанционное зондирование в круглосуточном режиме в любых погодных условиях требуют использование охлаждаемых ИК‑модулей. Неотъемлемая часть ИК‑модулей – миниатюрные системы охлаждения, называемые микрокриогенные системы Стирлинга (МКС) [1].
Технологии фотоэлектроники – критические технологии, определяющие степень технологического развития машинного зрения, искусственного интеллекта, беспилотной навигации. Но уровень современной фотоэлектроники во многом зависит от технологии охлаждаемых фотоприемных модулей (ФПМ) и криостатирующих микрокриогенных систем. От МКС зависит стабильность фотоэлектрических характеристик фотоприемных устройств: вольтовая и токовая чувствительности, обнаружительная способность, эквивалентная шуму разность температур и др.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В настоящее время российские предприятия не обеспечивают серийный выпуск эффективных МКС Стирлинга. Отечественному заказчику важно не только иметь возможность приобретать российские МКС для криостатирования ФПМ, главное – иметь возможность выбора высокоэффективных МКС, с необходимыми теплоэнергетическими характеристиками, в удобной компоновке для разрабатываемой аппаратуры [2, 3]. В АО «ОКБ «АСТРОН» создан модельный ряд эффективных МКС Стирлинга. Для целей выпуска типоразмерного ряда необходимо провести испытания и определить значения параметров приборов.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектом исследования является созданный в АО «ОКБ «АСТРОН» модельный ряд, включающий четыре типа МКС Стирлинга интегрального и дифференциального исполнения холодопроизводительностью 400, 500, 750 мВт (77К, 60 °C). При проектировании МКС для повышения эффективности и ресурса МКС были использованы инновационные технологические решения. В пусковой период система работает с максимальным числом оборотов, обеспечивая требуемое время готовности. При достижении рабочей температуры криостатирования система переходит в режим, обеспечивающий лишь подавление теплопритоков. Таким образом, МКС работает в режиме энергосбережения. Особенности эксплуатации МКС определяют жесткие требования к виброактивности. Основные характеристики МКС, разработанные и выпускаемые АО «ОКБ «АСТРОН», указаны в таблице. Внешний облик микрокриогенных систем представлен на рис 1 и 2.
Микрокриогенные системы прошли пусковые испытания при нормальных климатических условиях (НКУ), а также при воздействии повышенной температуры окружающей среды Тос = 50 °C в составе с тепловыми моделями КНГУ.32.50.00. Графики испытаний иллюстрируют рис. 3–6.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ
Конструктивное исполнение микрокриогенной системы модели МКС400СР выполнено по схеме сплит Стирлинг (ротационный). При испытании прибор запускали в составе с тепловым имитатором с собственными теплопритоками 200 мВт. Потоки измеряли при НКУ. Охлаждаемая масса тепловой модели в медном эквиваленте составила 4 г.
Как видно из графика (рис. 3), время выхода на режим криостатирования МКС при НКУ составляет 5 минут 20 секунд, при температуре окружающей среды Тос = 50 °C время пускового режима составило 7 минут 30 секунд. При этом пусковая мощность системы не превышала 18 Вт. В стационарном режиме мощность потребления МКС доходила до 5,5 Вт. При температуре окружающей среды Тос = 50 °C величины достигали соответственно значений 21,5 Вт и 6,1 Вт. Давление заправки МКС криоагентом 3,4 МПа.
Следующая система из разработанного ряда охлаждающих систем – МКС400СЛ. Система выполнена по схеме сплит Стирлинг (линейный). В испытаниях МКС400СЛ запускали с той же тепловой моделью, как и предыдущую систему. График демонстрирует (рис. 4), что время выхода на режим криостатирования МКС при НКУ составило 5 минут 45 секунд, при температуре окружающей среды Тос = 50 °C время достигло значения 8 минут 15 секунд.
При этом пусковая мощность системы при НКУ составляла 20,5 Вт. Стационарная мощность потребления МКС была 5,8 Вт. При температуре окружающей среды Тос = 50 °C величины соответственно равнялись 23,2 Вт и 6,4 Вт. Давление заправки МКС криоагентом 3,2 МПа.
В основе конструкции системы охлаждения МКС500 лежит схема интегральный Стирлинг. При испытаниях систему запускали в составе с тепловым имитатором с собственными теплопритоками 220 мВт, измеряемыми при НКУ. Охлаждаемая масса тепловой модели в медном эквиваленте составляет 4 г.
По графику (рис. 5) видно, что время выхода на режим криостатирования МКС при НКУ составляло 4 минут 32 секунды, а при температуре окружающей среды Тос = 50 °C время увеличилось до 6 минут 28 секунд. При этом пусковая мощность системы составляла 17,3 Вт. Потребление мощности в стационарном режиме также демонстрировало энергоэффективность и не превышало 4,6 Вт. При температуре окружающей среды Тос = 50 °C значения мощности достигали соответственно 19,6 Вт и 5,9 Вт. Давление заправки МКС криоагентом 3,5 МПа.
Система МКС750 выполнена в конструкции интегральный Стирлинг. При испытаниях его запускали в комплексе с тепловым имитатором с собственными теплопритоками 310 мВт. Измерения проводили при НКУ. Охлаждаемая масса тепловой модели в медном эквиваленте составляет 7 г.
График рабочих испытаний (рис. 6) показывает, что время выхода на режим криостатирования МКС при НКУ составляло 4 минуты 55 секунд и при температуре окружающей среды Тос = 50 °C увеличивалось до 6 минут 48 секунд. При этом пусковая мощность системы составляла 26,3 Вт. Стационарная мощность потребления МКС достигает 6,7 Вт. При температуре окружающей среды 50 °C величины приобретают соответствующие значения 29,6 Вт и 8,3 Вт. Давление заправки МКС криоагентом 4,6 МПа.
МКС проходят испытания с тепловыми моделями КНГУ.32.50.00 по наработке на отказ. Тепловая нагрузка к тепловым моделям измерялась весовым способом без учета влияния энтальпии отходящих паров. Дополнительная тепловая нагрузка в криозону тепловых моделей при испытаниях не подавалась.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Типоразмерный ряд микрокриогенных систем обратного цикла Стирлинга охватывает область требуемых значений в диапазоне температур криостатирования 70–150 К. Испытания показали работоспособность микрокриогенных систем и воспроизводимость рабочих параметров. Типоразмерный ряд предназначен для комплектации унифицированных фотоприемных модулей (ФПМ), работающих в ИК‑диапазонах спектра 3–5 мкм и 7–14 мкм. Основу ФПМ составляют фоточувствительные матрицы форматов 128 × 128, 256 × 256, 320 × 256 и 640 × 512 элементов на основе InSb, КРТ, технологии QWIP’s, а также hot detector’s, обеспечивающих тактико-технические характеристики оптико-электронных комплексов перспективных ВВСТ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
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. DOI: 10.22184 / FRos.2019.13.1.58.64.
Колесников А. М., Самвелов А. В., Словеснов К. В. Микрокриогенные системы Стирлинга в интегральном исполнении с повышенным ресурсом работы. Прикладная физика. 2010; 2: 80–82.
Трошкин Ю. С., Чапкевич А. Л., Горбунов Е. К., Посевин О. П., Самвелов А. В. Микрокриогенная система (МКС) с газовой криогенной машиной Стрилинга интегрального типа для охлаждения фоточувствительных элементов. Прикладная физика. 1999; 3: 60–65.
REFERENCES
Samvelov A. V., Yasev S. G., Moskalenko A. S., Startsev V. V., Pakhomov O. V. Integral microcryogenic stirling systems as a part of cryostatting photoreceiving modules based on long ir region matrix. Photonics Russia. 2019; 13(1): 58–64. DOI: 10.22184 / FRos.2019.13.1.58.64.
Kolesnikov A. M., Samvelov A. V., Slovesnov K. V. Mikrokriogennye sistemy Stirlinga v integral’nom ispolnenii s povyshennym resursom raboty. Prikladnaya fizika. 2010; 2: 80–82.
Troshkin YU. S., CHapkevich A.L., Gorbunov E. K., Posevin O. P., Samvelov A. V. Mikrokriogennaya sistema (MKS) s gazovoj kriogennoj mashinoj Strilinga integral’nogo tipa dlya ohlazhdeniya fotochuvstvitel’nyh elementov. Prikladnaya fizika. 1999; 3: 60–65.
АВТОРЫ
Самвелов Андрей Витальевич, канд. техн. наук, samv-andrej@yandex.ru начальник исследовательского центра "Микрокриогенные системы" АО "ОКБ "АСТРОН", https://astrohn.ru, член-корр. Международной академии холода, Лыткарино, Моск. обл., Россия
ORCID: 0000-0001-5840-7626
Ясев Серей Геннадьевич, руководитель проекта "Микрокриогенные системы", АО «Оптико-механическое конструкторское бюро «АСТРОН», https://astrohn.ru, Лыткарино, Моск. обл., Россия
ORCID: 0000-0003-1792-6849
Москаленко Александр Сергеевич, начальник вакуумного участка, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро «АСТРОН», https://astrohn.ru, Лыткарино, Моск. обл., Россия
ORCID: 0000-0002-1657-5015
Старцев Вадим Валерьевич, канд. техн. наук, главный конструктор, АО «Оптико-механическое конструкторское бюро Астрон», https://astrohn.ru, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-2800-544X
Баранов Александр Юрьевич, профессор практики, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
ORCID: 0000-0003-2465-4642
Пахомов Олег Всеволодович, доцент кафедры криогенной техники, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
ORCID: 0000-0001-8228-6329
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе многолетней работы всех членов авторского коллектива.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
Отзывы читателей
