科學(xué)相機(jī)冷卻技術(shù) 保持冷靜的藝術(shù)與科學(xué)

圖 1.Peltier 器件的渲染

介紹最新一代的科學(xué)相機(jī)冷卻技術(shù)，許多低照度成像和光譜學(xué)應(yīng)用依賴于高度靈敏的硅或InGaAs基科學(xué)探測(cè)器。這些應(yīng)用包括天文光度測(cè)量、體內(nèi)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，需要深度冷卻的相機(jī)，以最大限度地減少熱產(chǎn)生的暗噪聲，以便允許積分時(shí)間從幾分鐘到幾小時(shí)不等。

盡管多年來科學(xué)相機(jī)已使用許多冷卻技術(shù)(例如熱電、低溫、焦耳-湯姆遜)，但熱電或帕爾帖冷卻已被證明是最具吸引力的，因?yàn)樗饩S護(hù)且運(yùn)行可靠。還應(yīng)該注意的是，在極低光照下的應(yīng)用，如近紅外光譜，可能會(huì)受益于使用基于液氮的低溫冷卻技術(shù)，該技術(shù)將傳感器冷卻到-100°C以上，并提供最低水平的暗噪聲。

冷卻需求

理想情況下，光子探測(cè)器應(yīng)提供僅受光子散粒噪聲限制的信噪比 (SNR)。然而，在實(shí)踐中，SNR會(huì)受到其他噪聲源的降低，最常見的是讀取噪聲和暗噪聲。從數(shù)學(xué)上講，這在下面的方程式中顯示出來。

信噪比 (SNR) = S/σ，其中S = 檢測(cè)到的光子數(shù)σ = 總噪聲 = √(σS2+ σD2+ σR2 )σS= 光子散粒噪聲σD= 熱噪聲或暗噪聲σR= 讀取噪聲

光子散粒噪聲 (σS)，這歸因于光子到達(dá)率的隨機(jī)性，等于檢測(cè)到的光子數(shù)的平方根。讀取噪聲 (σR)由傳感器讀出電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和讀出速度決定。暗噪聲 (σD) — 暗電荷的平方根，通常指定為每秒像素電子數(shù) (e-/p/s) — 由傳感器像素中由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的無用信號(hào)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)，在傳感器溫度為-0°C(或更低)時(shí)，001.70 e-/p/s的典型暗電荷規(guī)格并不少見。

TE 冷卻器的基礎(chǔ)知識(shí)

熱電冷卻器 (TEC) 是一種固態(tài)設(shè)備，當(dāng)施加電能時(shí)，它會(huì)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被稱為帕爾帖器件。雖然單個(gè)TEC設(shè)計(jì)中使用的實(shí)際材料和結(jié)構(gòu)通常是專有的，但典型的材料包括碲化鉍、硅鍺和各種鉍銻合金。雖然帕爾帖器件可以根據(jù)電能的方向加熱或冷卻，但它們最常見的用途是冷卻(見圖 1)。通常，帕爾帖設(shè)備是根據(jù)它們可以傳遞的熱量來評(píng)定的。

雖然使用 Peltier 設(shè)備實(shí)現(xiàn)適度冷卻是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的命題，但以最大的可靠性實(shí)現(xiàn)最深的冷卻則不然。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)帕爾帖設(shè)備)只是為了暗示不同級(jí)別的深度冷卻。盡管理論上這些規(guī)格可以通過他們的相機(jī)在完美的條件下實(shí)現(xiàn)，但這些規(guī)格并不一定是現(xiàn)實(shí)的。整個(gè)熱設(shè)計(jì)，包括帕爾帖幾何形狀、傳感器熱負(fù)載、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。如果做得好，帶有TEC的相機(jī)可以根據(jù)可實(shí)現(xiàn)的絕對(duì)溫度來指定，并具有一定程度的動(dòng)態(tài)余量，以處理各種環(huán)境條件下預(yù)期的合理變化。最新的深冷相機(jī)利用先進(jìn)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析工具來優(yōu)化熱設(shè)計(jì)的各個(gè)方面。

使用 TEC 或 Peltier 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

? 不釋氣材料;不含環(huán)氧樹脂

? 永久性、全金屬、氣密密封

? 高效熱交換器，可實(shí)現(xiàn)高散熱

? 智能控制，實(shí)現(xiàn)高可靠性和溫度穩(wěn)定性

超高真空：TEC的額定值是根據(jù)其熱側(cè)和冷側(cè)之間可實(shí)現(xiàn)的最高溫度差來的，通常具有“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)荷保持在最低限度，傳感器需要封裝在真空度高達(dá) 10-10 torr 的超高真空 (UHV) 室中。雖然許多超高真空室設(shè)計(jì)可用于真空室結(jié)構(gòu)，但只有真正可靠的設(shè)計(jì)才能根據(jù)多年的制造專業(yè)知識(shí)和材料專業(yè)知識(shí)保證使用壽命性能。請(qǐng)參閱圖 2。

圖2.全金屬真空密封。

高性能真空設(shè)計(jì)必須具備以下屬性：

? 全金屬、氣密密封的真空室

? 永久密封，無需維護(hù)操作

? 不使用環(huán)氧樹脂密封窗戶和真空室：環(huán)氧樹脂會(huì)釋放氣體并降解，隨著時(shí)間的推移，本質(zhì)上會(huì)損害真空度。

? 10-10 torr 范圍內(nèi)的超高真空度，可最大限度地減少熱損失

? 先進(jìn)的“吸氣劑”材料，可在多年運(yùn)行

中保持真空度 ? 可靠、成熟的制造工藝

高效換熱器：帕爾帖器件提供了一種將熱量從冷側(cè)(傳感器)傳遞到熱側(cè)(周圍環(huán)境)的簡(jiǎn)單方法，但它們的效率非常低。它們傳遞的熱量越多，它們的效率就越低。換言之，存在一個(gè)最佳范圍，TECs在其內(nèi)運(yùn)行最有效。

因此，對(duì)于相機(jī)來說，必須具有熱交換器(通常稱為散熱器)，以盡可能有效地從熱側(cè)帶走熱量。ArcTec技術(shù)使用空氣/液體組合式熱交換器，可最大化表面積并有效散熱

。傳遞到散熱器的熱量通過使用超大風(fēng)扇、室溫液體循環(huán)器、冷卻器或其組合消散(到周圍環(huán)境)。

注意：一些制造商將實(shí)現(xiàn)的最大冷卻指定為與環(huán)境溫度 (ΔT) 的增量，而不是使用冷至 +10°C 的冷凍液體的絕對(duì)值 (T)。 但是，對(duì)于潮濕環(huán)境中或缺乏超穩(wěn)定

溫度和濕度控制的實(shí)驗(yàn)室，不建議這樣做。使用低于露點(diǎn)的液體會(huì)導(dǎo)致冷凝(水蒸氣積聚)，從而損壞相機(jī)周圍的電子設(shè)備和敏感光學(xué)元件。請(qǐng)參閱圖 3。

圖3.可以使用而不會(huì)引起冷凝的最低液體溫度。

智能控制：最新的散熱設(shè)計(jì)還包括智能反饋控制，通過控制 Peltier 器件的電氣參數(shù)，將傳感器溫度保持在設(shè)定點(diǎn)的 ±0.01°C 以內(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，有利于液體循環(huán)。

總結(jié)

最新一代的熱電冷卻科學(xué)級(jí)相機(jī)提供了前所未有的冷卻性能和可靠性。新的性能水平是通過優(yōu)化熱設(shè)計(jì)的多個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)的，包括帕爾帖幾何形狀、真空室、熱交換器和電子設(shè)備。

差異在于：ArcTec? 冷卻技術(shù)

2016 年推出的 Princeton Instruments SOPHIA 相機(jī)采用了 ArcTec 先進(jìn)的熱電冷卻技術(shù)。ArcTec 首先在我們的 NIRvana 系列 InGaAs 焦平面陣列 (FPA) 相機(jī)中率先推出，并基于普林斯頓儀器 (Princeton Instruments) 成熟的全金屬密封真空設(shè)計(jì)，使用最新的計(jì)算流體動(dòng)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