集成式杜瓦组件真空寿命评测及影响因素分析

贾卫民,金小群,杨永华,奚予琛

(1.中国空空导弹研究院,河南 洛阳 471009；2.红外探测器技术航空科技重点实验室,河南 洛阳 471009)

1 引 言

制冷型红外焦平面探测器广泛应用于精确制导武器系统、红外热成像、机载红外光电设备、光电侦察设备等领域,目前已成为市场主流。以美、法、以色列等国为代表的256×256以上规模的红外焦平面阵列器件大都配置了集成式斯特林制冷机的金属杜瓦组件,即IDDCA组件。

为保证探测器正常工作,斯特林制冷机工作温度低于80 K,MTTF时间超过10000 h,常温启动时间小于4 min,探测器设计存储寿命不低于15年。采用制冷机集成式结构的金属杜瓦组件,热质量、漏热负载较小,制冷性能优异,为保证长期稳定的制冷性能,杜瓦内部应维持恒定的真空。探测器制造及使用过程数据统计表明,杜瓦真空度下降是导致探测器性能衰减的主要原因之一,因此金属杜瓦的真空寿命成为探测器的一项关键指标。

本文研究了目前广泛采用的斯特林制冷机集成式金属杜瓦组件结构,对其进行了真空寿命测试评价,并分析了影响杜瓦真空寿命的主要因素。

2 集成式杜瓦组件结构方式

以法国SOFRADIR公司为主流的320×256中、长波面阵器件如图1所示,目前已成为IDDCA组件通用结构的代表,该金属杜瓦结构可装配多种规模的红外芯片、与不同功率的斯特林制冷机方便集成,因而可广泛快速投入研发应用。

图1 SOFRADIR公司 320×256MW、LW器件

集成式杜瓦组件通用结构如图2所示,采用前端引出线结构方式,主体材料为金属,内外引线采用陶瓷布线与金属封装的结构形式,杜瓦内管同时是斯特林制冷机的汽缸,结构封装采用激光焊接密封,光学窗口与金属外壳软钎焊连接。与玻璃杜瓦相比,金属杜瓦在制冷性能、结构强度、制造精度、批产制造等方面优势明显。

图2 集成式杜瓦组件通用结构

3 杜瓦真空寿命

InSb等红外光敏元件工作温度一般为80 K左右,制冷机与杜瓦提供并维持制冷探测器正常工作的低温条件。制冷功率应大于探测器总热功耗,探测器工作时热负载为[1]:

Q=∑Qi=Qr+Qg+Qs+QJ

(1)

式中,Qr为辐射漏热;Qg为残余气体传导漏热;Qs为固体传导漏热;QJ为探测器工作的焦尔热。

其中,残余气体传导漏热与杜瓦真空相关,杜瓦内部为高真空和低真空时该数值相差数百倍[2],因此杜瓦真空寿命是制约探测器存储寿命的关键指标。

探测器热负载主要由辐射热、固体传导漏热及焦耳热组成,正常值较小且恒定。固体传导漏热取决于杜瓦结构设计,集成式金属杜瓦中影响漏热传导的主要结构部件包括,与制冷机集成的薄壁内管、细线径金属引线、结构支撑杆或丝[3],通过低导热材料设计选取、薄壁金属件加工工艺等方法有效降低了固体热传导。

当器件出现漏气或元件材料放气使杜瓦内部真空度降低时,残余气体传导漏热成为主要热负载,制冷功耗剧增,制冷温度升高,探测器无法正常工作而失效。

金属杜瓦制造中,采用激光焊接、回流焊等工艺技术实现了结构封装低漏气率,在制造过程通过真空除气处理及吸气剂等技术保证杜瓦真空内低放气率,保证金属杜瓦真空长期稳定。

对以上结构和工艺制造的集成式金属杜瓦组件进行了真空寿命试验测试与分析。

4 试验与测试

4.1 漏率测试

制造过程应检测每只杜瓦器件氦漏气速率,超高灵敏度检漏仪可测算出杜瓦真实漏气速率[4]。

杜瓦真空寿命与实际漏气速率由下式计算:

t=2.67·P0(1-P/P0)V/Q0

(2)

式中,t为从P到P0时所需时间,即为设计真空寿命；P0为器件失效真空度,1×10-1Pa；P为器件封离排气系统时真空度,1×10-6Pa；V为器件真空总容积,L；Q0为器件总漏率,Pa·L/s(He)。

不同氦漏率器件达到的真空寿命如图3所示。

图3 真空寿命与氦漏气率关系

金属杜瓦制造工艺中,控制总漏气率低于2×10-12Pa·L/s(He),真空寿命大于15年。

4.2 静态热负载测试

杜瓦经真空排气封离后,内部真空度由静态热负载值表征。测试杜瓦内管中液氮挥发速率,再用下式算得:

(3)

式中,Δm/Δt为液氮消耗率,g/s;γ为液氮汽化潜热,197.6 J/g；Cp、m、t为分别为氮气的定压比热、密度和挥发时间；D为杜瓦内管内径,m；P为室内测试环境下太阳辐射热,13.3 W/m2。

由液氮挥发称重测试出5只金属杜瓦液氮重量-消耗时间曲线如图4所示。

图4 液氮重量-消耗时间曲线

集成式金属杜瓦器件热负载小于200 mW,满足斯特林制冷功耗要求。

4.3 高温加速试验

用加速应力的方法对杜瓦热负载进行跟踪测试,对储存寿命可靠性进行评估。选用温度作为加速应力,寿命和应力间符合威布尔分布,具有如下关系。

L(S)=K-1·S-n

(4)

式中,L为可量化的寿命值,如平均寿命、特征寿命等；S为加速应力；K、n为需确定的模型参数,K>0。

将上式转换为ln(L)=-ln(K)-nln(V),则模型参数的确定可将试验数据在对数坐标中曲线绘制得出,此时n为线性曲线的斜率。通过以下公式计算加速应力因子:

AF(s)=(S/Sbase)n

(5)

高温加速试验中将2只金属杜瓦在70 ℃条件下进行了215天的高温老化加速试验,跟踪测试了热负载变化情况,曲线如图5所示。判断失效标准为热负载变化不超过25%。

图5 70 ℃存储试验结果

参考SOFRADIR公司金属杜瓦的加速应力试验结果[5],得出70 ℃下的215天相当于25 ℃下的12.9年。表明该金属杜瓦制造工艺正常,可满足存储性能要求。

5 真空寿命影响因素分析

集成式金属杜瓦组件真空寿命影响因素主要有器件漏气和杜瓦真空腔放气两方面。

漏气引起的杜瓦真空度降低主要由材料气孔、缺陷、焊接不良等引起。杜瓦结构及工艺设计时应有所选择,如真空冶炼材料含气量少、冷扎的材料比热扎的材料气孔缺陷少；制造工艺中避免使用银、铜钎焊,可采用氩弧焊、激光焊接完成结构密封封装。

气体对金属材料渗透也会造成器件漏气。如常温时H2对Fe、Ni、低碳钢、铁素体不锈钢的渗透系数高,故低碳钢不宜作为杜瓦的管壳材料。在金属外壳表面进行酸洗、碱浸、腐蚀、电解、擦伤等去除氧化层的过程中,可使渗透增加几倍甚至几个数量级。在真空容器外壁涂抹保护漆或在表面用0.1%的铬酸钠溶液浸泡,可以防止腐蚀并抑制渗透。

与材料渗透相比,制造工艺不良带来的漏孔远比它们大几个数量级,对每只器件进行氦检漏测试方法可将此类缺陷筛选剔除,通过制造工艺改进可使杜瓦漏气率降至最低,控制结构总He漏气率低于2×10-12Pa·L/s,IDDCA杜瓦组件真空寿命超过15年。

影响杜瓦真空度下降的另一关键因素是杜瓦真空腔内部的各种材料及元件的放气。杜瓦真空内壁、金属元件如冷光阑、连接法兰、引线电极表面以及有机物胶等通常吸附了大量的气体,在探测器使用过程中会慢慢释放,使真空度变差、寿命降低[6]。

金属杜瓦真空腔内部的放气来源主要有材料中溶解气体的解溶、扩散以及表面吸附气体的脱附。金属表面出气速率较低,随时间的衰减也较快。杜瓦金属材料常温出气源主要是表面氧化膜吸收的水汽,烘烤后出气率显著降低。表1为1Cr18Ni9Ti不锈钢真空烘烤过程的出气速率及组分[7]。

表1 1Cr18Ni9Ti不锈钢烘烤过程中的出气速率及组分

从表1中数据可看出,经真空烘烤的不锈钢金属表面出气速率降低2～3个数量级,主要减少的是H2O气体,处理后金属表面残余气体主要成分为H2、CO、CO2、O2、N2及其他稀有气体。金属杜瓦经过高真空排气后真空腔内残余气体成分相同,此类气体主要由杜瓦内部安装的Zr基吸气剂吸附消除。Zr基吸气剂可与CO、CO2、O2、N2气体形成稳定的化合物至1000 ℃不发生分解,在表面与H2形成固溶可逆吸附,与温度及H2平衡压相关。金属杜瓦长时间存放,真空腔内气体释放,杜瓦真空度逐渐下降,热负载增加,对吸气剂再次通电激活可提高真空度3～4个数量级,延长杜瓦存储寿命。

6 结 论

256×256以上规模的红外焦平面阵列器件多采用上述通用结构的制冷机集成式金属杜瓦组件,杜瓦真空寿命可通过氦漏率检测、静态热负载测试及高温加速试验表征。

金属杜瓦真空寿命的主要影响因素包括漏气和放气,分析表明,通过制造工艺控制改进可使金属杜瓦He漏气率低于2×10-12Pa·L/s,满足器件设计寿命期；金属杜瓦内部放气可通过真空烘烤、安装吸气剂等方法消除。经验证,采用以上技术研制的集成式金属杜瓦组件(IDDA)真空存储寿命已超过12年,热负载小于200 mW,满足制冷功耗要求。

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