Краткая характеристика объектов охлаждения

Реализация достижений низкотемпературной физики твердого тела в электронике стимулировала появление совершенно новой и специфической области - микрокриогенной техники. Ее развитие открыло принципиально новые возможности при решении задач физики, электроники, энергетики, систем связи, вычислительной техники, биологии, медицины и др.

Успешная разработка любой микрокриогенной установки, как изделия микрокриогенной техники, оптимизация ее параметров возможны лишь при тщательном учете особенностей конструкции охлаждаемых устройств и специфики их работы. В ряде случаев единственно правильным является рассмотрение криостатируемого объекта и микрокриогенной установки как единого комплексного устройства, параметры составных частей которого тесно взаимосвязаны. Это тем не менее не исключает возможности широкой стандартизации и унификации изделий микрокриогенной техники, т. к. низкотемпературные приборы можно разбить на несколько групп однотипных изделий, обладающих сходными криотехническими и конструктивными характеристиками.

К основным характеристикам объектов охлаждения относятся:

температура криостатирования Т_р и необходимая точность ее поддержания (диапазон Т_р);

внутреннее тепловыделение Q_В и теплопритоки из окружающей среды Q_Т ; сумма этих тепловых потоков Q_О = Q_В + Q_Т является полезной тепловой нагрузкой микрокриогенной установки и соответствует ее минимально допустимой холодопроизводительности в стационарном режиме;

приведенная теплоемкость С_пр охлаждаемых элементов и узлов конструкции, которая вместе с Q_В и Q_Т определяет необходимую холодопроизводительность системы в пусковом режиме;

условия теплового и конструктивного сопряжения микрокриогенной, установки с объектом охлаждения - расстояние между ними, возможные конструкции узла стыка, режим теплообмена и др.

Физические основы работы, конструкция и параметры созданных к настоящему времени многочисленных устройств, требующих глубокого охлаждения, достаточно подробно рассмотрены нами ранее. В связи с этим ограничимся краткой характеристикой лишь некоторых, наиболее типичных приборов одной из новых областей техники - криоэлектроники, в которой широко применяют изделия микрокриогенной техники и успешно используются достижения физики низких температур

Криоэлектронные приборы можно классифицировать по следующим признакам:

по температуре криостатирования - на приборы с гелиевым (до 15К), неоноводородным (до 70К) и азотным (свыше 70К) диапазонами охлаждения;

по величине тепловой нагрузки - приборы с малым внутренним тепловыделением и незначительной массой охлаждаемых элементов (ИК - приемники), со значительным тепловыделением, но малой теплоемкостью элементов (полупроводниковые квантовые генераторы - ПКГ) и, наконец, с относительно большими массой и теплоемкостью охлаждаемых элементов, но малыми внутренними тепловыделениями (СВЧ - приборы).

Глубокоохлаждаемые приемники инфракрасного излучения составляют наиболее представительную и важную для нас группу приборов, широко применяемых совместно с микрокриогенными системами в различных областях промышленности и научных исследований. Основные криотехнические характеристики охлаждаемых приборов с фоточувствительными элементами на основе различных полупроводниковых материалов, обеспечивающих свой диапазон спектральной чувствительности инфракрасного излучения, приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Типы фотоприемников инфракрасного излучения	Спектр. диапазон мкм	Тр К	Тр К	QТ Вт	QВ Вт
Фотосопротивления из Ge, легированного Cd, Zn, Sn	до 40	4,2	0,5	1,0	10-3
Фотосопротивления из Ge, легированного Hg, Cu	до 25	10 - 35	1,0	1,5	10-3
Фотосопротивления и фотодиоды CdHgTe	до 15	80	0,5	0,5	10-2
Фотосопротивления и фотодиоды из InSb	до 6	77	0,5	0,5	10-3
Фотодиоды из InAs, фотосопротивления из PbS	до 4	80 - 150	5,0	0,5	10-3

Примечание. Значения Q_Т и Q_В даны для одноэлементных фотоприемников

Типичная конструкция фотоприемника содержит кроме охлаждаемого фоточувствительного элемента теплоизолирующий вакуумный сосуд с оптически прозрачными входными окнами и корпусные узлы, обеспечивающие герметичность и прочность прибора. Размеры, конфигурация и криотехнические параметры этих узлов зависят от типа фотоприемника и сопрягаемой с ним системы охлаждения. Важной задачей является также обеспечение герметичности и прочности узла сопряжения для исключения возможности повреждения охлаждаемого объекта при работе системы охлаждения. Существуют, например, глубокоохлаждаемые фотоприемники конструктивно встроенные в контейнер с хладагентом или размещенные непосредственно на «холодном пальце» охлаждающего устройства.

Существенная особенность фотоприемников - незначительное тепловыделение в фоточувствительном элементе; лишь в многоэлементных приборах на основе низкоомных полупроводников величина может достигать 0,5-1,0 Вт. Теплопритоки из окружающей среды и приведенная теплоемкость относительно невелики, что позволяет сопрягать фотоприемники практически с любым типом микрокриогенной установки.