東方閃光為您介紹最新一代科學(xué)相機(jī)冷卻技術(shù)

許多微光成像和光譜應(yīng)用依賴于基于高靈敏度硅或InGaAs的科學(xué)探測(cè)器。 這些應(yīng) 用包括天文光度測(cè)量、活體小動(dòng)物成像、拉曼光譜、化學(xué)/生物發(fā)光和軟x射線成像，需要深度冷卻的探測(cè)器，將熱產(chǎn)生的暗噪聲降至最低，以允許積分時(shí)間從幾分鐘到數(shù)小 時(shí)。

盡管多年來(lái)，許多冷卻技術(shù)（如熱電、低溫、焦耳-湯姆遜）已被用于科學(xué)相機(jī)，但熱電冷卻已被證明是最具吸引力的，因?yàn)槠錈o(wú)需維護(hù)且運(yùn)行可靠。該技術(shù)將傳感器冷卻到-100°C以上，并提供可達(dá)到的最低暗噪聲水平。

理想情況下，光子探測(cè)器的信噪比（SNR）僅受光子散粒噪聲限制。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，信噪比會(huì)因其他噪聲源而降低，其中最常見(jiàn)的是讀取噪聲和暗噪聲。數(shù)學(xué)上，以下形式表示。

光子散粒噪聲（σS ）可歸因于光子到達(dá)率的隨機(jī)性，等于檢測(cè)到的光子數(shù)的平方根。讀出噪聲（σR）由傳感器讀出電子器件的設(shè)計(jì)和讀出速度決定。暗噪聲（σD）——暗電荷的平方根，通常被指定為每秒每像素的電子數(shù)（e-/p/s）——由熱激發(fā)在傳感器像素中產(chǎn)生。在典型的硅基CCD中，在正常工作范圍內(nèi)，每冷卻5到7度，暗電荷就會(huì)減少一半。對(duì)于深冷CCD相機(jī)，在-70°C（或更低）的傳感器溫度下，0.001 e-/p/s的典型暗電荷規(guī)格并不少見(jiàn)。

TEC的基本原理

熱電制冷器（TEC）是一種固態(tài)設(shè)備，當(dāng)應(yīng)用電能時(shí)，它將熱量從一端傳遞到另一端。這種效應(yīng)也稱為珀?duì)柼?yīng)；因此，TEC被稱為珀?duì)柼O(shè)備。雖然個(gè)別TEC設(shè)計(jì)中使用的實(shí)際材料和結(jié)構(gòu)是特殊的，但典型的材料包括碲化鉍、硅鍺和各種鉍銻合金。盡管珀?duì)柼O(shè)備可以根據(jù)電能的方向進(jìn)行加熱或冷卻，但它們最常見(jiàn)的用途是冷卻（見(jiàn)圖1）。通常情況下，珀?duì)柼O(shè)備根據(jù)其可傳遞的熱量進(jìn)行評(píng)級(jí)。

Figure 1. Rendering of a Peltier device

雖然使用珀?duì)柼O(shè)備實(shí)現(xiàn)適度冷卻是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，但實(shí)現(xiàn)最深的冷卻和最大的可靠性相矛盾的。通常，相機(jī)制造商提到使用多級(jí)（即三級(jí)、四級(jí)或五級(jí)珀耳帖設(shè)備）只是為了表示不同程度的深度冷卻。整個(gè)熱設(shè)計(jì)，包括珀?duì)柼麕缀谓Y(jié)構(gòu)、傳感器熱負(fù)荷、輸入電壓電流（功率）參數(shù)、熱交換器和真空室設(shè)計(jì)，都必須進(jìn)行優(yōu)化，以確保傳感器的可靠深度冷卻。最新的深度冷卻相機(jī)利用先進(jìn)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析工具來(lái)優(yōu)化熱設(shè)計(jì)的各個(gè)方面。

使用TEC設(shè)備實(shí)現(xiàn)最深的冷卻需要

?傳感器周圍的超高真空（UHV）環(huán)境

?非放氣材料；沒(méi)有環(huán)氧樹(shù)脂

?永久性全金屬密封件

?高效熱交換器，實(shí)現(xiàn)高散熱

?實(shí)現(xiàn)高可靠性和溫度穩(wěn)定性的智能控制

超高真空：TEC的額定值是指其熱側(cè)和冷側(cè)之間可達(dá)到的最大溫度增量，通常為“零”負(fù)載。然而，TEC不僅需要去除自身運(yùn)行產(chǎn)生的熱量，還需要去除傳感器運(yùn)行產(chǎn)生的多余熱量。為了將熱負(fù)荷降至最低，傳感器需要封裝在真空度高達(dá)10-10托的超高真空（UHV）室內(nèi)。雖然許多超高壓室設(shè)計(jì)可用于真空室構(gòu)造，但只有真正可靠的超高壓室設(shè)計(jì)依靠多年的制造專業(yè)知識(shí)和材料專有技術(shù)保證其使用壽命。參見(jiàn)圖2。

Figure 2. All-metal vacuum seals

高性能真空設(shè)計(jì)必須具備以下屬性：

?全金屬密封真空室

?永久性密封，無(wú)需維護(hù)

?不使用環(huán)氧樹(shù)脂密封窗戶和真空室：環(huán)氧樹(shù)脂會(huì)排氣并降解，隨著時(shí)間的推移，固有地?fù)p害真空。

?10-10托范圍內(nèi)的超高真空水平，以將熱損失降至最低

?先進(jìn)的“吸氣劑”材料，可在多年運(yùn)行中保持真空水平

?可靠、經(jīng)驗(yàn)證的制造工藝

高效熱交換器：珀?duì)柼O(shè)備提供了一種將熱量從冷側(cè)（傳感器）傳遞到熱側(cè)（環(huán)境）的簡(jiǎn)單方法，但效率非常低。它們傳遞的熱量越多，效率就越低。換句話說(shuō)，有一個(gè)最佳范圍，在該范圍內(nèi)TEC的運(yùn)行效率最高。

因此，重要的是相機(jī)要有熱交換器，通常稱為散熱器，以盡可能有效地去除熱側(cè)的熱量。ArcTec technology采用了一種組合式空氣/液體熱交換器，可最大化表面積而且散熱效率很高。通過(guò)使用超大風(fēng)扇、室溫液體循環(huán)器、冷卻器或它們的組合，將傳遞到散熱器的熱量耗散（到周圍環(huán)境中）。

智能控制： 最新的熱設(shè)計(jì)還包括智能反饋控制，通過(guò)控制珀?duì)柼O(shè)備的電參數(shù)，將傳感器溫度保持在設(shè)定點(diǎn)的±0.01°C范圍內(nèi)。 此外，這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)要么控制風(fēng)扇的速度（以盡量減少振動(dòng)），要么允許風(fēng)扇完全關(guān)閉，利用液體循環(huán)。

普林斯頓儀器TEC相機(jī)

2016年推出的普林斯頓儀器公司SOPHIA攝像頭采用了ArcTec先進(jìn)的熱電冷卻技術(shù)。 ArcTec是InGaAs焦平面陣列（FPA）相機(jī)NIRvana系列的先驅(qū)，基于普林斯頓儀器公司經(jīng)驗(yàn)證的全金屬密封真空設(shè)計(jì)，ArcTec使用最新的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析工具，為當(dāng)今市場(chǎng)上任何基于TEC的相機(jī)提供最高水平的冷卻和可靠性。

審核編輯黃宇