天问一号矿物光谱仪短波红外焦平面制冷组件EI北大核心CSCD

根据“天问一号”火星矿物光谱仪短波红外探测组件小型化、轻量化、低功耗的需求,分析了红外探测器匹配性设计、集成式制冷机杜瓦适应性研制的难点。针对短波红外探测器高灵敏度、低温目标及多光谱探测需求的长积分时间模式的集成封装、抗大量级星器分离冲击等特点,提出了高信噪比探测器总体设计、具有噪声隔离和集成式冷平台结构设计、抗径向冲击的斜支撑结构设计等。解决了短波红外集成组件探测器低温下低热应力、长积分时间下干扰隔离、大量级力学加固、航天应用的高可靠性厚膜电路研制等关键技术。成功研制了短波碲镉汞探测器杜瓦制冷组件,并经过高低温循环、随机振动及机械冲击等严苛的空间环境热学力学适应性试验验证,试验前后组件性能未发生明显变化,满足火星矿物光谱仪工程化应用的要求。     

石墨烯喷涂与化学镀镍黑化冷屏性能对比

目的 探索高效的冷屏黑化技术,获得石墨烯环氧胶混合喷涂与化学镀镍黑化后的红外探测器冷屏的光学特性、真空放气特性。方法 采用傅里叶光谱仪对比测试不同粗糙度的基底,以及基底经过化学镀镍、石墨烯喷涂黑化后的样品在2.5~15 μm波段内的镜面反射率,利用扫描电子显微镜观察分析黑化表面形貌。采用小孔流导法测试对比不同粗糙度基底250 ℃除气前后的放气规律,以及除气后基底、化学镀镍、石墨烯喷涂黑化样品的出气率。结果 化学镀镍黑化反射率受基底粗糙度的影响大,若在喷砂面黑化,镜面反射率低于2%。石墨烯喷涂的黑化涂层厚,吸收率不受基底表面粗糙度影响,镜面反射率低于0.4%,但镀层的表面结合力受到基底粗糙度的影响。对放气特性进行分析发现,高温除气可以去除化学吸附气体分子,再次暴露大气吸附的气体多为物理吸附。黑化层对出气率的影响远大于基底粗糙度,石墨烯黑化层的微孔洞结构使初始出气率大于镀黑镍约1个数量级。结论 石墨烯与环氧胶混合喷涂黑化的消杂散光能力显著优于化学镀镍黑化,但总放气量高,采用适当的低出气率处理,改进其真空性能是在红外组件应用中的关键。     

基于朗缪尔吸附模型的杜瓦真空寿命评估研究

影响杜瓦真空寿命的主要是内部材料出气。针对红外探测器杜瓦的出气机理及密封前需长时间排气特点,提出了以满足朗缪尔吸附模型的脱附速率方程作为杜瓦出气率模型的真空寿命评估方法。创新性地提出排气结束时变温监测离子流的方法,获得同覆盖度下不同温度的出气率,消除覆盖度的影响,提取了杜瓦的整体出气激活能,推导出存储温度下初始出气率及出气率随时间变化的关系。实验发现三个杜瓦在不同测试条件下获得的激活能差异为8.8%。跟踪封装2年的杜瓦热负载,验证估算的寿命误差为7.2%。本研究为小批量、多样化杜瓦提供了便利的真空寿命无损检测评估方法。     

超大面阵红外探测器冷平台支撑结构研究

为满足拼接式超大面阵型红外探测器的空间应用需求,超大规模冷平台组件需要在低温下工作,冷平台支撑结构需要较高的刚度以满足组件的抗振动性能,又需要较高的结构热阻以降低其传导漏热。提出了对称式八杆结构作为冷平台支撑,该支撑结构采用新型的高强度、低热导率的氧化锆陶瓷材料。基于有限元软件分析了支撑结构的高度、安装倾斜角度、宽厚比和材料对于组件的模态基频、支撑结构热阻以及组件在30 g静力学载荷下的最大应力的影响,通过对比选取了其中一组参数设计了实际的测试组件,支撑的结构热阻达到了220 K/W,对组件进行了5～2 000 Hz的正弦扫频试验、总均方根为9 g RMS的XYZ三个方向的随机振动等力学环境试验,最终组件通过了空间环境适应性试验验证,组件的基频达到了560 Hz,并且测试结果与仿真结果趋势符合较好。结果表明：对称式八杆氧化锆支撑结构解决了超大面阵型红外探测器冷平台组件既需要高力学性能又需要低漏热的难题,满足工程化应用需求。     

集成双热电致冷器超长线列InGaAs组件封装技术

为了实现大视场、高空间分辨率、高光谱分辨率的指标要求,通常采用多模块拼接的技术方案,实现超长线列的组件。通过两个热电致冷器的拼接实现120 mm长度的大冷面,通过多个模块拼接实现4 000元长线列InGaAs短波红外探测器组件的封装。同时针对超长线列温度均匀性实现、拼接焦平面的共面性、拼接的工程可靠性开展研究,通过热电致冷器的拼接、热分析、冷板材料的选择、零件公差控制及微调节等技术手段,在工程上实现了超大冷面的温度均匀性控制在0.4℃以内;焦平面的共面性控制在0.020 mm以内。封装的超长线列InGaAs短波红外组件通过了冲击和随机振动实验,实验前后焦平面的共面性无明显变化,实现了清晰的地面成像。     

超长线列红外焦平面杜瓦冷链设计

针对采用直线脉管制冷的超长线列红外焦平面器件杜瓦封装的需求, 提出了一种弹性冷链的设计方案。介绍了超长线列焦平面器件及直线脉管制冷机的特点以及对冷链的力学、热学要求, 针对超长线列焦平面杜瓦冷链的设计思路、设计方法进行了研究, 针对某型号脉管制冷机及典型超长线列探测器的尺寸、工作温度等要求, 采用局部弹性冷链方案, 通过有限元仿真工具对冷链进行优化设计, 使其能够满足设计指标要求。根据设计结果制作了冷链及测试杜瓦, 对冷链温差、器件拼接基板温度均匀性及低温形变进行了测试, 并通过振动试验对力学可靠性进行了验证。试验结果证明局部弹性冷链设计方案的正确性和可行性。     

集成冷光学的双波段杜瓦组件技术

集成冷光学的红外探测器杜瓦封装在中波、长波红外组件研制中具有重要意义，有利于抑制红外辐射背景、提升仪器灵敏度和集成度。提出了集成冷光学的中波、长波双波段探测器杜瓦组件，设计了一体化冷平台支撑、低漏热透镜支撑等新结构，解决了冷光学透镜组与探测器组合、双波段探测器透镜组之间高精度配准及高强度单点支撑钎焊等新工艺，建立了该冷光学集成组件杜瓦的冷面温度均匀性、双温区控制以及低热负载等关键参数。实现了杜瓦液氮热负载小于0.85 W，中波工作于73 K，冷面温度均匀性0.36 K，长波工作于65 K，冷面温度均匀性0.08 K，探测器与透镜组配准精度偏差优于±10μm，探测器光学模组间配准偏差优于±15μm。该新型杜瓦已通过一系列空间环境适应性试验验证，成功应用于风云四号系列气象卫星大气垂直探测仪中。