紅外焦平面探測器制冷機(jī)研制和技術(shù)難點(diǎn)

火星礦物光譜分析儀（MMS）是我國開展首次火星探測任務(wù)配置的科學(xué)載荷之一，安裝于火星探測環(huán)繞器內(nèi)，在運(yùn)動(dòng)中對(duì)火星表面目標(biāo)進(jìn)行光譜遙感探測。512×320元短波紅外焦平面制冷組件是火星礦物光譜分析儀的重要件，用于高光譜成像。儀器突破了紅外背景抑制、高效分光組件、器上組合定標(biāo)等關(guān)鍵技術(shù)，集輕小型、低功耗、高性能于一身，以期實(shí)現(xiàn)探的更“精”、測的更“準(zhǔn)”的科學(xué)探測目標(biāo)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和中國科學(xué)院大學(xué)組成的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“天問一號(hào)礦物光譜儀短波紅外焦平面制冷組件”為主題的文章。該文章第一作者為曾智江副研究員，主要從事紅外探測器封裝與集成技術(shù)的研究工作；通訊作者為李雪研究員，主要從事航天遙感用紅外光電探測器的基礎(chǔ)研究和組件技術(shù)的研究工作。

本文分析了火星礦物光譜儀512×320元紅外探測器制冷組件特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了紅外焦平面探測器、集成式杜瓦組件、制冷機(jī)等研制和技術(shù)難點(diǎn)。紅外組件成功應(yīng)用在“天問一號(hào)”火星探測器上，為我國下一步深空探測的紅外組件發(fā)展提供了一定的參考。

短波紅外焦平面制冷組件總體技術(shù)

由于火星探測任務(wù)的載荷數(shù)量多，將火星探測器運(yùn)至地球逃逸軌道需要大推力火箭，因而火星礦物光譜儀有效載荷需要盡量的輕巧、集成化程度高，故火星礦物光譜儀的紅外探測器制冷組件需要設(shè)計(jì)成小尺寸、輕質(zhì)、小功耗(Low SWaP)的集成組件。火星礦物光譜儀的短波紅外（SWIR）集成式探測器杜瓦制冷機(jī)組件（IDDCA）總體技術(shù)要求如表1所示。

表1 火星礦物光譜儀集成式探測器杜瓦制冷機(jī)組件總體技術(shù)

集成式探測器杜瓦制冷機(jī)組件特點(diǎn)

短波紅外探測器設(shè)計(jì)

火星礦物光譜分析儀用512×320元短波紅外焦平面探測器技術(shù)方案為：紅外焦平面芯片由碲鎘汞外延材料通過n-on-p平面結(jié)工藝制備；采用CTIA輸入級(jí)讀出電路；以銦柱直接倒焊互連方式構(gòu)成512×320元紅外焦平面器件。采用開窗模式對(duì)512×320元紅外焦平面器件的探測信號(hào)進(jìn)行積分、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和輸出，電路工作模式采用幀積分工作方式。表2為火星礦物光譜儀系統(tǒng)光學(xué)主要參數(shù)。

表2 火星礦物光譜儀系統(tǒng)光學(xué)主要參數(shù)

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)要求，可以得出杜瓦內(nèi)探測器的輸入光子能量。依此短波紅外焦平面總體設(shè)計(jì)，如波長為3.4 μm時(shí)，其總噪聲與1.595 μm波段相同，其量子效率QE取0.3（該波段下量子效率指標(biāo)要求不小于30%），根據(jù)入射光子數(shù)則可推算信噪比?；鹦枪庾V儀512×320元短波紅外探測器的研制結(jié)果如表3所示，組件信噪比與設(shè)計(jì)指標(biāo)相吻合。

表3 火星光譜儀短波紅外探測器技術(shù)參數(shù)

圖1為火星光譜儀512×320元短波紅外探測器實(shí)物照片。

圖1 火星光譜儀512×320元短波紅外探測器

集成式紅外組件杜瓦

火星礦物光譜儀的集成式杜瓦是紅外探測器工作的必要保護(hù)屏障和光電性能傳輸?shù)挠行аb置，為其提供真空、低溫環(huán)境，同時(shí)實(shí)現(xiàn)探測器與整機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的后光路耦合匹配。在杜瓦冷平臺(tái)上安裝焦平面探測器、濾光片支撐、濾光片、冷光闌等。杜瓦冷平臺(tái)的力學(xué)支撐采用高強(qiáng)度單點(diǎn)冷指結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用抗徑向沖擊的斜支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體如圖2所示?；鹦堑V物光譜儀紅外杜瓦組件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)體現(xiàn)三個(gè)方面：1）輕量化抗沖擊集成式封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2）組件內(nèi)分光設(shè)計(jì)；3）異形冷平臺(tái)設(shè)計(jì)。

圖2 512×320短波紅外探測器杜瓦組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

為了確?；鹦堑V物探測的特定要求，即需滿足14 grms（20~2000 Hz）量級(jí)隨機(jī)振動(dòng)、1400 g量級(jí)機(jī)械沖擊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)冷平臺(tái)減重、冷屏輕量化設(shè)計(jì)，提高抗沖擊能力，有效降低冷指負(fù)載，以提高組件環(huán)境力學(xué)后的可靠裕度。杜瓦內(nèi)冷指頂部的零部件及其質(zhì)量如表4所示。

表4 杜瓦內(nèi)冷指頂部的零部件及其質(zhì)量

冷平臺(tái)未進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化前，其質(zhì)量為10.74 g，優(yōu)化后為6.92 g；冷屏采用電鑄工藝成型，其厚度為0.1 mm，質(zhì)量比機(jī)加工冷屏（約2.57 g）減輕一半。

為了確保杜瓦內(nèi)冷屏進(jìn)行有效分光，且減小分光時(shí)濾光片支架的遮擋，確保集成化和微型化封裝要求，采用單片三波段的集成化分波段鍍膜的全新設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)要求如圖3所示（尺寸單位：mm），濾光片鍍膜區(qū)域A、B、C波段具體的通光范圍見表1。

圖3 濾光片分區(qū)設(shè)計(jì)要求

由于光譜儀探測目標(biāo)信號(hào)較弱，需要較長的積分時(shí)間獲取目標(biāo)信息。火星礦物光譜儀的紅外探測器積分時(shí)間典型值為40 ms，如果在圓形平面冷平臺(tái)上直接膠結(jié)紅外探測器，則容易在40 ms長積分時(shí)間時(shí)產(chǎn)生圓形狀噪聲斑，實(shí)際熱噪聲分布如圖4所示。

圖4 集成式探測器杜瓦制冷機(jī)組件在40 ms積分時(shí)間下噪聲分布圖

考慮到天問一號(hào)衛(wèi)星環(huán)繞器和著陸器在火星軌道分離，探測器組件需要承受1400 g的沖擊，因而探測器耦合支撐的冷平臺(tái)需進(jìn)行輕量化和集成化設(shè)計(jì)。圖5為探測器安裝的冷平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，中心區(qū)域采用應(yīng)力隔離設(shè)計(jì)，有效消除制冷機(jī)周期性運(yùn)動(dòng)對(duì)探測器產(chǎn)生的熱噪聲。測量不同型號(hào)集成式制冷機(jī)形成熱噪聲斑直徑，其大小約為冷指直徑的0.83倍左右，且降低制冷機(jī)充氣壓力，噪聲強(qiáng)度減弱，熱噪聲形成應(yīng)該與冷平臺(tái)受到的氣缸內(nèi)氣體膨脹周期性壓力相關(guān)。

圖5 噪聲隔離冷平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6為探測器粘接在新型冷平臺(tái)上的噪聲情況。冷平臺(tái)通過釬焊與冷指密封連接，確保力學(xué)強(qiáng)度和可靠性。

圖6 噪聲隔離設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的40 ms積分時(shí)間的探測器噪聲分布圖

集成制冷組件

集成組件的制冷機(jī)采用整體式斯特林制冷機(jī)結(jié)構(gòu)布局，旋轉(zhuǎn)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)壓縮機(jī)和一個(gè)膨脹機(jī)，控制電路采用獨(dú)立厚膜電路，電機(jī)、膨脹機(jī)、壓縮機(jī)之間成正交位分布。制冷工質(zhì)穿過壓縮機(jī)與膨脹機(jī)之間的聯(lián)通管道，在壓縮機(jī)和膨脹機(jī)工作空間中交替壓縮膨脹實(shí)現(xiàn)制冷。制冷工質(zhì)選用高純氦氣。該制冷機(jī)主要由制冷機(jī)本體、電機(jī)、厚膜控制電路組成。制冷機(jī)根據(jù)航天應(yīng)用要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)采用了特制的厚膜電路進(jìn)行制冷控制。制冷組件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 火星礦物光譜儀集成式探測器杜瓦制冷機(jī)組件結(jié)構(gòu)示意圖

為適用空間應(yīng)用的抗輻照需求，對(duì)制冷機(jī)控制電路進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，電路采用多層厚膜工藝，金屬全密雙列直插封裝方式，組裝密度高、體積小、可靠性高。最終研制的厚膜電路的尺寸（不含法蘭）為48 mm×45 mm×7 mm，質(zhì)量為56 g。

紅外制冷組件產(chǎn)品及性能指標(biāo)

通過上述各關(guān)鍵組部件的研制，成功獲得了性能良好紅外焦平面制冷組件，其主要性能參數(shù)見表5。

表5 短波集成式探測器杜瓦制冷機(jī)組件技術(shù)指標(biāo)

按照火星探測任務(wù)的環(huán)境試驗(yàn)要求，紅外焦平面探測器制冷組件完成了高低溫存儲(chǔ)、高低溫循環(huán)及熱真空等熱學(xué)試驗(yàn)，完成了鑒定級(jí)正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、機(jī)械沖擊及加速度等環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明探測器性能工作正常，杜瓦制冷組件性能正常。圖8為紅外制冷組件實(shí)物照片。

從表5可以看出，制冷機(jī)在常溫常壓下開機(jī)，到達(dá)90 K設(shè)定溫度的制冷時(shí)間為12 min，同時(shí)還對(duì)比了不同充氣壓力的制冷時(shí)間，從圖9所示的降溫曲線中可以看出，充氣壓力為42 bar、32 bar、25 bar、20 bar時(shí)，從制冷啟動(dòng)到開始穩(wěn)定控溫時(shí)間分別為12 min、15 min、18.5 min、24 min。

圖9 集成式探測器杜瓦制冷機(jī)組件不同充氣壓力下降溫時(shí)間曲線

圖10為火星礦物光譜儀用紅外探測器制冷杜瓦組件的光譜測試曲線和在光譜儀內(nèi)紅外成像照片。圖像中提取天空、建筑物表面、植被的光譜曲線，其中，1.0~2.0 μm光譜分辨率10.30 nm，2.0~3.4 μm光譜分辨率12.90 nm。

結(jié)論

集成式紅外探測器制冷組件的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、功耗小，在深空探測、星際探測的航天應(yīng)用中具有較大優(yōu)勢，其航天用組件工程研制應(yīng)用具有重要意義。著重分析了高靈敏度、高信噪比的面陣探測器，長積分時(shí)間下抗噪聲干擾的杜瓦結(jié)構(gòu)，集成化長壽命整體式微型制冷等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并完成了一系列力學(xué)、熱學(xué)的環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證。隨著“天問一號(hào)”順利發(fā)射升空并到達(dá)火星軌道，該研究為后續(xù)深空紅外光譜探測的組件研制提供了一定的參考。

這項(xiàng)研究獲得國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11427901）的資助和支持。

編輯：黃飛

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