斯特林制冷机与红外探测器耦合集成技术

　　1引言

　　由于斯特林制冷机具有制冷温度范围宽、冷量大、启动快、安装灵活等优点，因此大多数红外探测器选用斯特林制冷机作为可靠的冷源，用其来提供低温工作环境(77K 或更低)。 如何将斯特林制冷机产生的冷量有效地传输给红外探测器，并最大程度地降低冷量损失、减少机械受力或振动对冷指和探测器的影响、降低电磁干扰等，涉及到机、电、热等接口的合理设计，集成杜瓦设计以及组装工艺等关键技术。

　　当红外探测器可以接受斯特林制冷机的机械振动和电磁干扰等问题时，斯特林制冷机与红外探测器的热耦合技术就成为集成设计中最为关键的技术，

　　它直接关系到制冷机能否将探测器冷却到指定的工作温度。 一般情况下选配制冷机时，并不是冷量越大越好，因为斯特林制冷机冷量越大，其体积、质量、功耗、及振动等指标也相应越大。同时为了达到标准规范，一般探测器/杜瓦组件与斯特林制冷机的接口规定为标准型式，冷指尺寸等不能随意更改[1]。

　　本文介绍了80K/0.8W 斯特林制冷机(兰州物理研究所研制)与像元数为 288×4 红外探测器的热耦合技术的设计方法及联调试验结果，通过试验分析得知，制冷机与红外探测器实现了较高的热耦合效率。

　　2耦合方式及特点

　　制冷机与探测器的耦合方式主要分为直接耦合方式(整体式耦合)和间接耦合方式(分离式耦合)2 种[2]。

　　整体式耦合是将探测器组件直接安装在制冷机的冷指端部，集成式杜瓦、制冷机结构简图如图 1 所示。这种耦合的优点是结构较紧凑， 冷量损失小。 但由于制冷机/杜瓦/探测器的一体化使得制冷机冷头结构复杂，工艺上难度很大。 整体式制冷机、杜瓦组件中，制冷机冷指作为杜瓦芯柱，探测器和杜瓦之间就少了一层耦合层，可以减小热损失，提高其可靠性。 在这种耦合结构中，可以根据需要在负载与制冷机冷板之间选择安装耦合器，也可以直接将负载安装在冷板上[3]。

　　分离式耦合是分别对探测器/杜瓦组件和制冷机进行研制，即把制冷机冷指插入杜瓦芯柱内，冷指冷板与杜瓦芯柱内端面(即探测器背面)进行热耦合，分离式制冷机、杜瓦/探测器结构简图如图 2 所示。分离式耦合的杜瓦组件与整体式耦合结构外形相同，不同的是杜瓦芯柱与冷指相互独立，冷指直接插入杜瓦芯柱内，利用柔性耦合将冷指冷板与杜瓦芯柱底面贴合，实现良好的冷量传输。

　　这种耦合方式的优点是：一方面便于红外相机的地面联调和探测器/杜瓦组件的更换;另一方面还能减小制冷机和探测器/杜瓦的研制难度。 分离式耦合的关键是制冷机和探测器/杜瓦组件的接口设计。 在分离式制冷机、杜瓦/探测器组件中，由于杜瓦和制冷机耦合面的刚性结构, 为了保证两者之间的热传导良好, 往往需要在杜瓦芯柱内端面和制冷机冷指冷板之间增加一个热耦合器。 缺点是：各耦合界面不可避免的存在耦合温差, 会损失制冷机的一部分冷量;存在杜瓦芯柱的导热损失，对于小冷量的制冷机而言, 这些冷量损失不容忽视。 但是耦合器可以保持制冷机冷指与杜瓦内壁底部有良好的热传递, 同时也可以起到减小振动的作用。