Implementation of Steady Thermal Design Software for Refrigerated Detector Dewar Component
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摘要:
制冷型红外探测器在工业、医疗和监测等领域中具有广泛的应用，其中杜瓦组件由芯片组和杜瓦组成，杜瓦为芯片提供必需、可靠的工作环境及光机电接口。杜瓦热设计过程中，芯片组热功耗、杜瓦热负载、被冷却物体的热质量、不同接触界面热阻和传热温差等需要准确计算以便于选配制冷机，保证器件在全温区下降温时间和功耗等指标的实现。目前，相关计算通过人为实现，易出错且效率低。对此，本文通过分析相关理论，提出了利用软件辅助快速计算相关热功耗的方案，完成了杜瓦组件静态热设计软件的开发，对于提升热设计的准确度和效率提供了支持，对于制冷机选配和组件整体性能保证等提供了参考依据。
Abstract:Refrigerated infrared detectors have a wide range of applications in military, industry, medicine, and other fields. Dewar components are composed of chipsets and dewars. A dewar can provide the necessary and reliable working environment and optical, electronic, and mechanical interfaces for the chip. When designing dewar components, the thermal power consumption of the chipset, static heat load of the dewar, thermal mass of the dewar, and heat transfer temperature difference must all be calculated to facilitate the selection of refrigerators and ensure the realization of indicators such as refrigeration time and power consumption under the working conditions of the full temperature zone. Currently, the calculation of indicators is manual; however, these processes are prone to errors and have low efficiency. Therefore, this paper proposes a method that utilizes software to calculate thermal power consumption according to relevant theories and uses the C# language to develop software. This software provides support for improving the accuracy and efficiency of thermal design. It also provides key indicators for the selection of refrigerators and the overall performance guarantee of the components. With further refinement, this method is expected to become more accurate.
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Keywords:
- dewar component /
- static thermal design /
- assistant designing software
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0. 引言
随着制冷型红外探测器在不同领域的广泛应用，其性能和杜瓦组件的综合表现越来越受到关注。探测器性能直接影响其应用效果，杜瓦组件作为探测器的重要元件，在设计过程中，准确计算出杜瓦热负载、热质量以及界面热阻和传热温差等对于杜瓦性能指标的实现和降温时间的把控是必不可少的[1]。当前，杜瓦组件热设计的相关计算比较传统，需要人为将公式逐步输入Excel后计算，容易出错且耗时耗力，利用编程计算相关参数出错率低且执行速度快，因此软件的开发很有必要。
为满足不同型号杜瓦组件的快速热设计要求，提高界面的美观度和数据计算准确度，基于MVC（model, view, controller）三层架构构建，采用C#语言，在Windows 10 64位操作软件下利用Visual Studio 2017和SQL Server 2012进行开发，编写了一套杜瓦组件静态热设计软件，以此实现杜瓦组件热力学参数的高效计算与管理。在工程应用中通过改变设计输入参数（如所选材料、高低温环境等），程序快速读取出所需参数代入计算得到结果，实现了对热设计高效和精细化管理。软件允许设计人员添加材料参数以完善热力学参数库，快速准确实现了杜瓦组件热质量计算、杜瓦静态热负载计算和不同界面热阻及组件传热温差计算等功能，最后软件根据输入输出的数据为用户生成一目了然的查询报表，为杜瓦组件的热设计和制冷机的选配提供了高效准确的数据支持，为下一步工作提供了支撑。
1. 计算模型搭建
软件的主体功能模块如图 1所示，包含了杜瓦热质量、静态热负载计算和组件传热温差计算等功能。软件开发架构如图 2所示，按照模型层、视图层和控制器层进行搭建。模型层负责在各层之间传递参数，其中热设计计算库封装公式和算法，数据库用于存储输入输出的数据和材料热物理性质等数据，计算引擎执行计算，返回结果给控制器。视图层即用户界面，允许输入参数及数据查询等。控制器负责协调各功能模块，调用模型和视图，处理计算数据等。通过三层架构实现数据与界面的分离，可以提高软件的可维护性和扩展性。
1.1 芯片组热功耗读取
探测器的读出电路在电流通过时由于电阻的存在而发热，这个热量就是芯片组的热功耗。设计过程中计算出这部分热量损耗，对于整体功耗计算和制冷机选配有一定影响，在程序里设计输入框用于接收该部分数值。
1.2 杜瓦组件热质量计算
热质量即杜瓦制冷平台上封装的零件由高温降到低温时放出的热量，热质量对组件制冷启动时间有较大影响，采用热容较小的材料设计冷平台有利于缩短制冷时间。冷平台热质量由探测器芯片组、装载基板、内管底片、冷屏和低温滤光片等零件的热质量构成。公式如下：
$$ Q_{\text {热 }}=M \int\limits_{T l}^{T_2} C_{\mathrm{p}}(T) \mathrm{d} T=M \cdot C_{\mathrm{P}} \cdot \Delta T $$ (1) 式中：CP(T)为材料在温度为T时的比热容，kJ/(kg⋅K)；M为材料质量，kg；ΔT为温度差，K；一般为环境温度和探测器芯片要达到的工作温度之差。热扩散系数相同的情况下，冷平台上物体的热质量越小，采用同款制冷机的降温时间就越短。对特殊应用，如需要延长制冷时间、降低温度应力或者减小温度波动时，加大热质量也是探测器杜瓦常用的设计方法。查阅文献[2]后得到组件常用材料的热物性参数，将其保存至后台数据库后形成热物性参数库，软件调用函数读取所需参数，代入计算得到各项热质量。
1.3 杜瓦组件热负载计算
杜瓦热负载主要由热传导耗热、热辐射漏热以及热对流3部分构成[3]，由于杜瓦内部是超高真空，当杜瓦内气体压强＜10－5 Pa以后，真空夹层中残余气体分子的对流漏热趋近于零，且工程化的杜瓦经过长时间烘烤排气后，其内部压强远小于10－5 Pa，故该部分漏热可以忽略[4]，主要研究热传导和热辐射。
1.3.1 杜瓦热传导计算
杜瓦热传导主要集中在引线、冷指和支撑杆3部分。引线在焊接时已确定其长度、直径和材料，单根引线热传导可看作一维热传导，单根传热量乘以根数即引线总传热量，约几十毫瓦；冷指传热量较大，根据所选材料不同，其热导率对热耗表现有所不同[5]，约占杜瓦热耗的一半；部分杜瓦组件为了提高其强度和耐受严苛力学环境试验的能力，会添加支撑杆来提高环境适应性[6]。以上3部分热传导均可按如下公式计算：
$$ Q=n \cdot k_{T_{1}-T_{2}}-A \frac{T_{2}-T_{1}}{L} $$ (2) 式中：Q为杜瓦组件的传导漏热量，mW；n为引线根数（仅引线热传导计算时）；k为温区范围内平均热导率，W/(m·K)，随温度变化；A为有效导热截面积，mm2；L为有效长度，mm；T1为低温端温度，K；T2为高温端温度，K。
1.3.2 杜瓦热辐射计算
同轴圆筒、非黑体结构的杜瓦，其辐射传热主要发生在窗口窗片与冷屏滤光片之间、杜瓦外壳与冷屏侧壁之间[5]。计算杜瓦外壳与冷屏侧壁辐射漏热时，可将其看作两个同心圆柱，公式如下：
$$ Q_{\text {外 }}=\frac{\sigma A_1\left(T_3^4-T_4^4\right)}{\frac{1}{\varepsilon_1}+\frac{A_1}{A_2}\left(\frac{1}{\varepsilon_2}-1\right)} $$ (3) 式中：σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数，5.67×10－12 W/(cm2·K4)；A1为冷屏侧壁辐射面积，m2；A2为杜瓦外壳辐射面积，m2；ε1为冷屏侧壁发射率；ε2为杜瓦外壳发射率；T3为冷屏侧壁温度，K；T4为杜瓦外壳温度，K。
计算窗片与滤光片辐射漏热时，可将其看作两个平行平面。计算公式如下：
$$ Q_{\text {窗 }}=\frac{\sigma\left(T_5^4-T_6^4\right)}{\frac{1-\varepsilon_3}{\varepsilon_3 A_3}+\frac{1-\varepsilon_4}{\varepsilon_4 A_4}+\frac{1}{A_3 F_{12}}} $$ (4) 式中：A3为窗片内表面辐射面积，m2；A4为冷屏滤光片表面辐射面积，m2；ε3为窗片内表面发射率；ε4为滤光片表面发射率；T5为窗片内表面温度，K；T6为滤光片表面温度，K；F12为窗片对滤光片的辐射角系数[5]。综上，芯片组的热功耗、杜瓦的静态热负载计算完成后，即得到探测器组件的总热功耗。
1.4 粘接界面热阻及传热温差计算
杜瓦组件的封装通过粘接胶将各层材料之间连接，粘接性能和界面热阻对组件的可靠性指标的实现很有必要，通过计算传热温差有利于提升制冷效率，降低制冷机功耗。
1.4.1 粘接界面对接触热阻的影响
为了保证探测器在77 K附近温度下良好工作，需要使用温度范围与之相近的粘接胶进行封装，胶粘接过程中表面层的熵增或流动会产生一些凹凸面，导致界面之间不完全接触[2]。粗糙表面的接触热导h计算如下：
$$ \begin{aligned} & \frac{h}{D_{\text {sum }}}=\sum\limits_{i=1}^{D_{\text {sum }}} \frac{h}{D_{\text {sum }}}=4 \lambda R^{\frac{1}{2}} \sigma_{\mathrm{S}}^{\frac{1}{2}} \frac{1}{\psi(\varepsilon)} F_{1 / 2}\left(d / \sigma_{\mathrm{S}}\right) \\ & F_{1 / 2}\left(d / \sigma_{\mathrm{S}}\right)=\int\limits_{d / \sigma_{\mathrm{S}}}^{\infty}\left(x-d / \sigma_S\right)^{1 / 2} \psi(x) \mathrm{d} x \end{aligned} $$ (5) 式中：λ为材料的热导率，由材料性质决定；ψ(ε)轮廓高度分布的概率密度函数，ε为待定常数；Dsum为凸峰高度；R为凸起部分的曲率半径；d为粘接胶的厚度，即平均接触面与基准面的距离；σS为凸起顶部平均高度的标准偏移，装载基板和芯片的接触热导可由上式计算。然而，芯片粘接时难以精确地只填充基板和芯片之间的空隙，粘接胶会有一定的厚度，所以粘接界面的热导计算如下式[7]：
$$ h＝λA/d $$ (6) 式中的有效导热面积A取决于组件设计。
1.4.2 胶层厚度对杜瓦传热的影响
探测器芯片比较薄，厚度远小于长度和宽度，制冷机冷端温度T0和芯片工作温度T之间的温差ΔT由下式计算：
$$ \Delta T=\sum\limits_{i} \frac{d_{i} H}{\lambda_{i} A} $$ (7) 式中：di、λi、Ai为芯片到制冷机冷端第i层物质的厚度、热导率、层之间的有效导热面积；H为芯片的耗散功率，主要由焦耳热决定[2]。由于粘接胶的热阻一般远大于其他各层，因此器件与制冷机冷端之间的温差ΔT等效成电路模型去计算，公式如下：
$$ \Delta T=\frac{2 d V^{2} \sigma D}{L^{2} \lambda} $$ (8) 式中：σ为器件的电导率；V为偏置电压；D为探测器件厚度。
2. 软件设计与实现
软件设计主要包括数据库设计、UI界面设计和功能模块设计，利用SQL Server 2012数据库管理软件建立数据表和视图，用于存储材料参数和输入输出相关数据；基于Visual Studio 2017开发工具将上述计算流程和公式整合在平台上，并设计出直观易懂、便于操作的用户界面。具体开发流程如图 3所示。
2.1 登录模块
管理员在后台为用户开通权限后，用户输入正确的用户名和密码，验证后成功登入软件，进入主界面使用所示功能，如图 4所示。
2.2 芯片热功耗计算
此模块先在数据库建表，然后将字段与控件关联后输入。进入该界面后，软件自动生成单据号作为标记，指导用户输入探测器型号、杜瓦编号等参数，当软件接收到输入的参数后自动计算出功率、芯片焦耳热和功耗等结果，保存后数据存入数据库中。
2.3 材料参数添加模块
热质量和热负载计算前，需要先把杜瓦各组件常用材料参数和热物理性质导入数据库，查阅相关文献后将数据保存到材料参数表，软件循环遍历读取表格里的数据到当前界面，验证格式合法后批量导入数据库，以供相关计算调用和读取。
2.4 杜瓦热质量计算模块
此模块在数据库建表关联字段后，软件将材料参数表里的材料名称加载到下拉列表里，用户选定材料后，软件根据材料名读取到该材料在该温区内的比热容和密度，再由输入的体积得出热质量结果，所有部件选材并计算完毕后，自动求出总热质量，保存后即可存入对应数据表里。
2.5 杜瓦热负载计算模块
此模块将热负载分为热传导和热辐射两部分，软件将材料参数表里的材料名称依次加载到引线、冷指、支撑杆材料名的下拉列表里以供选择。输入杜瓦编号并选择引线的材料后软件读取到热导率等数据，软件根据设置的温度区间、长度和截面积后自动计算出单根引线的传热量，再输入根数得到引线部分总传热量；冷指选择对应材料后得到所设置温区的热导率，截面积计算由外径和内径决定，公式嵌在底层，输入长度后得到冷指传热量；对于有支撑杆结构的杜瓦组件，勾选后显示出该模块，根据所选材料得出导热系数，再根据温区、长度、截面积得出导热量。对于热辐射部分的计算，软件分成两部分计算，一部分为外壳与冷屏侧壁之间，根据冷屏外表面积、实测发射率、杜瓦内表面积和发射率、角系数等参数，底层调用公式法计算出辐射热量；窗片和滤光片之间的辐射计算同理。
2.6 传热温差计算模块
由于器件之间通过低温胶粘接，粘接界面对接触热阻的影响由粘接胶材料、热导率、概率分布函数、凸峰高度、曲率半径、接触面基准距离、高度位移计算得出。此模块将温差计算的公式写在底层代码，上述控件值输入完成后得到接触热导，再根据导热面积和胶层厚度计算出粘接面热导。胶层厚度对杜瓦传热的影响主要是计算温差，根据材料、热导率、器件厚度、导热面积、耗散功率得出；器件与制冷机冷端的电导率、粘接胶、电压、胶层厚度和器件长度、厚度得出温差值。
2.7 综合数据查询模块
查询功能的关键是在SQL Server数据库中将数据表之间通过杜瓦编号连接形成视图以供软件读取。用户点击查询后，软件调用该视图并生成相应的查询界面，在界面上进行排序、过滤、分类和筛选等操作。
3. 数值结果验证
3.1 数据有效性验证
为了保证软件运行的高效性和准确性，需要对输入的数据和输出的结果进行有效性验证。首先软件会给定一些初始值，便于用户直接使用或修改；其次是一些必要的数据控件，要求值不可为空且量级要在一定区间范围内；然后是某些控件要保证唯一性，例如杜瓦编号输入并保存到数据库后不可再次输入此编号；当上述不满足条件时，软件会报错提示用户重新输入。
3.2 数值准确性验证
数值验证以某型号杜瓦为例，当计算杜瓦组件热质量时，取定温区为77~300 K，芯片阵列规模为640×512像素，像元间距10 μm，比热容单位为J/(kg·K)，密度单位为kg/m3，体积单位为mm3，热质量单位为J。输入数据及输出结果如表 1所示。各组件材料选定且计算出体积后，自动计算出总热质量的值为482.046 J，与设计人员手工计算的实际值一致。
表 1 热质量输入输出Table 1. Input and output of thermal massComponent name Material Heat capacity/(J/(kg·K)) Density/(kg/m3) Volume/mm3 Thermal mass/J Chip MCT 177 7630 32.768 9.869 ROIC Si 440 2330 36.580 8.363 Load substrate Al2O3 900 3500 376.972 264.804 Cold shield 4J36 399.5 8050 82.800 59.381 Bottom piece 4J36 399.5 8050 5.715 4.099 Optical filter Ge 261 5330 21.675 6.724 Cold figure L605 339.5 9130 186.35 128.809 当计算杜瓦热负载时，分为热传导和热辐射两部分，热传导包括引线导热、冷指导热和支撑杆导热3部分，热辐射则计算杜瓦外壳与冷屏侧壁、窗片和滤光片之间的漏热。计算热传导时取定温区为77~290 K，有效面积单位为mm2，热导率单位为W/(m·K)，长度单位为mm，导热量单位为mW。热传导输入输出如表 2所示，总热传导量为212.900 mW。辐射漏热计算时，冷屏侧壁表面积为0.0025 m2，发射率取0.06，杜瓦外壳表面积为0.0046 m2，发射率取0.1，得出杜瓦外壳与冷屏侧壁辐射漏热为46.275 mW。窗片辐射表面积为3.17×10−4 m2，发射率取0.45，滤光片辐射表面积为7.065×10−4 m2，发射率取0.5，二者之间的角系数为0.56，得出杜瓦外壳与冷屏侧壁辐射漏热为36.853 mW，总热负载计算值为296.028 mW。
表 2 热传导输入输出Table 2. Input and output of thermal conductionComponent name Material Valid area/mm2 Conductivity/(W/(m⋅K)) Length/mm Number Thermal conduction/mW Fuse Platinum-iridium wire 2.2E-4 35.8 0.8 39 81.782 Cold figure L605 3.727 7.4 50 1 117.486 Support pole ZrO2 0.16 3 7.5 1 13.632 利用现有的测试设备对该型号杜瓦组件进行实际热负载测试[8]，根据曲线计算出热负载的实测值为278.0 mW（如图 5所示），实测值与计算值之比为93.91%，相对误差6.09%，与软件计算出的数值相差18.028 mW，在实际工程应用的误差允许范围内，因此软件准确性可靠，可作为制冷量评估指标。
4. 结论
软件的设计与实现采用C#语言、SQL数据库和MVC架构，发挥了开发工具的优势。通过软件开发和测试，用户能够通过界面完成登录、数据输入及查询操作，实现了预期目标。软件能准确计算出杜瓦组件热质量、热负载及传热温差等参数，为杜瓦组件的静态热设计提供了可靠的数据支持。此外，材料参数的灵活管理和综合数据查询功能也显著提升了软件的实用性和用户体验。总之，该软件在制冷型探测器杜瓦组件静态热设计中可以提供较为便捷、准确的设计参考，目前已具备较强的实用能力。
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表 1 热质量输入输出
Table 1 Input and output of thermal mass
Component name Material Heat capacity/(J/(kg·K)) Density/(kg/m3) Volume/mm3 Thermal mass/J Chip MCT 177 7630 32.768 9.869 ROIC Si 440 2330 36.580 8.363 Load substrate Al2O3 900 3500 376.972 264.804 Cold shield 4J36 399.5 8050 82.800 59.381 Bottom piece 4J36 399.5 8050 5.715 4.099 Optical filter Ge 261 5330 21.675 6.724 Cold figure L605 339.5 9130 186.35 128.809 
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表 2 热传导输入输出
Table 2 Input and output of thermal conduction
Component name Material Valid area/mm2 Conductivity/(W/(m⋅K)) Length/mm Number Thermal conduction/mW Fuse Platinum-iridium wire 2.2E-4 35.8 0.8 39 81.782 Cold figure L605 3.727 7.4 50 1 117.486 Support pole ZrO2 0.16 3 7.5 1 13.632
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[1] 孙闻. 制冷型红外探测器组件低温热特性研究[D]. 上海: 中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所), 2017. SUN Wen. Research on Low Temperature Thermal Characteristics of Cryogenic Infrared Detector Assembly[D]. Shanghai: University of Chinese Academy of Sciences (Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences), 2017.
[2] 李建林. 制冷红外探测器组件封装技术[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2023. LI Jianlin. Packaging Technology of Refrigerated Infrared Detector Components[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2023.
[3] 林国画, 孟令伟. 杜瓦热耗的影响因素分析[J]. 激光与红外, 2017, 47(2): 195-197. LIN Guohua, MENG Lingwei. Analysis on influence factors of dewar heat consumption[J]. Laser & Infrared, 2017, 47(2): 195-197.
[4] 张亚平, 杨秀华, 何胤, 等. 高温工作型红外探测器杜瓦漏热分析与测试[J]. 真空, 2019, 56(3): 60-65. ZHANG Yaping, YANG Xiuhua, HE Yin, et al. High-temperature working infrared detector dewar heat load test technology[J]. Vacuum, 2019, 56(3): 60-65.
[5] 徐圣亚, 戴立群, 孙启扬, 等. 大规模红外探测器杜瓦热负载实验测量研究[J]. 红外技术, 2018, 40(8): 739-742. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201808003 XU Shengya, DAI Liqun, SUN Qiyang, et al. Experimental measurement and study of the thermal load of a large-format infrared detector dewar[J]. Infrared Technology, 2018, 40(8): 739-742. http://hwjs.nvir.cn/article/id/hwjs201808003
[6] 陈芳, 高超, 罗世魁. 大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构设计[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(8): 198-204. CHEN Fang, GAO Chao, LUO Shikui. Cold head supporting structure of dewar used in large infrared focal plane[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(8): 198-204.
[7] 王镇. 红外焦平面组件低温封装界面热阻研究[D]. 上海: 中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所), 2020. WANG Zhen. Research on Interface Thermal Resistance of Cryogenic Packaging for Infrared Focal Plane Assembly[D]. Shanghai: University of Chinese Academy of Sciences (Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences), 2020.
[8] 李建林, 周效军. 利用流量法测量微型金属杜瓦瓶热负载及其计算方法[J]. 红外与激光工程, 2011, 40(1): 143-148. LI Jianlin, ZHOU Xiaojun. Heat load measurement of the micro metal dewar with mass flow method and its calculation[J]. Infrared and Laser Engineering, 2011, 40(1): 143-148.
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