EMCCD相机致冷技术研究

发布时间：2020-07-31 17:27

【摘要】：EMCCD是当前世界上灵敏度最高的成像器件之一,在天文观测、生物医学、基础物理研究及其他领域都有广泛的应用和旺盛的需求。致冷是减小EMCCD热生暗电流的唯一手段,它还有助于提升EMCCD的倍增增益,是EMCCD高灵敏度不可替代的保障技术。当前国外部分相机公司掌握了该项技术,并视该项技术为其相机的核心竞争力。而国内在这方面的研究十分薄弱,本项研究的重要性因此而突出。在对具体致冷技术进行研究之前,对EMCCD性能与温度之间的关系进行了定量分析,从理论上得到CCD60、CCD97和CCD201三款EMCCD芯片的临界致冷温度。之后,本文从绝热设计、热电制冷器(Thermoelectric Cooler,TEC)设计与优化、温度测量三个方面对EMCCD相机致冷技术进行深入研究。绝热设计的首要任务是提出可行的方案,实现EMCCD芯片与环境之间的高效绝热。首先对EMCCD相机的传热途径进行分析,发现抑制残余气体传热是绝热设计的关键;随后具体分析了被广泛使用的真空绝热的原理、效果以及应用于本项研究的难点;面对这些难点,本文基于传热学与流体力学相关理论,创新性的提出了“基于控制氪气厚度抑制自然对流绝热”和“基于控制氪气压强抑制自然对流绝热”两种绝热方案,使用理论分析、数值计算、仿真分析等多种分析手段相结合的方法,从原理、绝热效果及失效条件等方面对此两种方案进行了详细分析与论证;并依据第一种方案,设计了一台CCD60相机实验样机,同时依据第二种方案,设计了一套实验系统。热电制冷器设计与优化的目的是优化致冷系统中TEC的结构和工作电流,以达到更低的致冷温度和更高的致冷效率。从热电制冷的基本原理出发,提出“有限元分析法”和“经验参数法”两种TEC数值分析方法,并对这两种方法的准确性和适用范围进行研究;随后,使用“经验参数法”对TEC的最优性能参数特性与外部影响因素进行分析,综合分析结论,提出了一套TEC优化设计方法,运用该设计方法完成两套实验系统TEC的设计;最后,结合“经验参数法”与实验方案的热网络图,对实验系统致冷效果进行数值计算,并对不同致冷温度下TEC的工作电流进行优化。由于热电制冷器性能与散热热阻密切相关,本文对TEC散热过程中的接触热阻、传导热阻和散热器热阻进行了认真研究,制定了热阻的优化方案并从理论上计算了优化热阻值;其中,散热器热阻占有最大比重,不但设计了风冷和水冷两个散热方案,还在此基础上全新设计了一款风冷、水冷一体式散热器,并对新散热器的性能进行了理论分析。本文还对致冷系统的温度测量技术进行研究,在明确系统测温需求和充分调研的基础之上,选择IST公司型号为P1K0.232.4SW.B.010的PT1000铂电阻作为致冷系统的温度传感器,还对该温度传感器的测温精度进行了实验验证。最后,对两套系统进行实验测试,实验内容包括;氪气压强对致冷温度的影响、致冷温度的时间响应特性、理论优化工作点的实际工作状态测试和最低致冷温度测试,实验结果符合预期,在最后,通过与Andor DV860相机进行对比,展示了自主研制的CCD60相机的相关参数。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（光电技术研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB66;TB85

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